Виды газового топлива для автомобилей: преимущества и недостатки каждого из них.

Для многих автомобилистов бензин – слишком дорогое удовольствие. Приходится экономить и отказывать себе в возможности использовать личный транспорт без ограничений. Переход на газовое топливо является хорошей альтернативой бензину, позволяет ощутимо экономить на заправках автомобиля. Рассмотрим, какие еще преимущества дает водителю работающий на газу двигатель.

Виды газ-топлива

Двигатели современных автомобилей могут функционировать на двух разновидностях газа:

• пропан-бутан – сжиженный газ, побочный нефтепродукт, полученный в результате переработки нефти;
• метан – природный газ, который не подвергается сжижению.

Существует мнение, что двигатель, работающий на газовом топливе, быстрее портится и выходит из строя, но мнение это ошибочное и ничем не подтверждается. Напротив, специалисты-инженеры утверждают, что мотор автомобиля на газовом топливе работает без капитального ремонта в среднем в 1,5 – 2 раза дольше, чем на бензине. Это обусловлено тем, что газ – более однородная смесь, чем бензин, при работе двигателя происходит его полное сгорание. Кроме того, газ следующим образом влияет на работу мотора:

• газовая смесь снижает до минимума расход смазочных материалов в системе цилиндры – кольца;
• снижает нагарообразование на деталях блока двигателя – головке и поршнях;
• не загрязняет моторное масло;
• за счет более ровного сгорания топлива двигатель работает более бесшумно и мягче.

Цена газа значительно ниже, чем бензина, но расход на 10-20% больше за счет различной температуры сгорания топлива.

Преимущества и недостатки пропан-бутана

Жидкий газ имеет ряд преимуществ по сравнению с бензином:

• цена на 50% ниже, чем бензина;
• объем баллонов соответствует объему емкости бензина;
• бюджетная стоимость газовой установки;
• возможность заправки в широкой сети заправочных станций;
• мощность двигателя практически не меняется.

К минусам можно отнести лишь то, что расход газа выше, чем бензина на 10 %. Особенность функционирования: двигатель прогревается на бензине, потом переключается на газ.

Свойства, достоинства и минусы метана

К числу плюсов природного газа относят:

• самое экономичное топливо – в 3 раза дешевле бензина;
• расход газового топлива при работе двигателя намного ниже, чем расход бензина.

• двигатель, функционирующий на газу, теряет мощность на 10%;
• число заправок ограничено;
• слишком громоздкие баллоны.

Для легковых автомобилей наиболее приемлемое топливо, альтернативное бензину – газ пропан-бутан. Метан, хотя и более экономичный, но из-за громоздкости баллонов использование на легковых машинах невозможно.

Устройство автомобилей

Система питания двигателя от газобаллонной установки

Устройство и работа газобаллонных установок

Газобаллонные установки характеризуются тем, что топливо при любом агрегатном состоянии вытекает из баллонов под значительным давлением. Поэтому в этих системах питания нет насосов, перекачивающих и подающих топливо, но введен редуктор, который позволяет снижать давление газа до рабочего, которое должно быть примерно равно атмосферному давлению или несколько превышать его.

При работе на сжатом газе исходное давление в баллонах составляет 20 МПа и более, поэтому эту систему питания оснащают баллонами высокого давления. По мере расхода газа давление в баллонах снижается.

При работе на сжиженном газе давление в баллоне не превышает 1,6…2,0 МПа. Баллоны этих установок относятся к баллонам низкого давления. Давление в них изменяется только в зависимости от состава газовой смеси и от температуры окружающей среды.
При любом количестве жидкого газа в баллоне давление в нем всегда будет равно давлению насыщенных паров топлива для условий окружающей среды. Давление насыщенных паров основных компонентов сжиженного нефтяного газа (СНГ) пропана и бутана при изменении температуры от -40 до +40 ˚С изменяется от 0,12 до 1,7 и от 0,18 до 0,39 соответственно.

В обоих случаях в системе предусматривается фильтр для улавливания твердых частичек (окалины и др.) и теплообменник, размещаемый отдельно или в общем корпусе с редуктором. Для сжиженного газа теплообменник служит испарителем на выходе из баллона, а для сжатого – подогревателем.

Подогреватель необходим в системе сжатого газа, так как резкое снижение давления в процессе его расширения на выходе из баллона приводит к значительному понижению температуры, и при наличии влаги в газе может привести к ее замерзанию и нарушению нормальной работы системы вследствие закупоривания магистральных трубок льдом.
Для подогрева сжатого газа обычно используют тепло отработавших газов, пропускаемых через теплообменное устройство, а для подогрева сжиженного газа чаще всего используют жидкость из системы охлаждения двигателя.

Устройство и работа газобаллонной установки
для сжатого газа

Принципиальная схема газобаллонной установки для работы на сжатом газе показана на рис. 1.
Установка для грузового автомобиля с пятью баллонами, сгруппированными в две секции I и II, размещаемыми обычно под платформой кузова. Каждая секция снабжена соединительной арматурой 2 с трубками 3 и расходным вентилем 4, что позволяет расходовать из них газ порознь и одновременно.

Из баллонов 1 по трубкам 3 и через расходные вентили 4 газ поступает в подогреватель 6, в который через дозирующую шайбу 8 из приемной трубы 7 поступают горячие отработавшие газы. Далее через магистральный вентиль 9 и фильтр 10 газ проходит в одноступенчатый редуктор 11, где давление его снижается до 1,2 МПа, и через второй фильтр 12 в двухступенчатый редуктор 13 с понижением давления почти до атмосферного.

При работающем двигателе газ засасывается в карбюратор-смеситель, причем на режиме холостого хода по трубке 21 он поступает непосредственно в задроссельное пространство и впускной трубопровод 15, который связан трубкой 14 с разгрузочным (пусковым) устройством редуктора.

Система снабжена двумя манометрами: высокого давления 23, включаемого до магистрального вентиля, и низкого 22, фиксирующего давление первой ступени редуктора. По показаниям первого манометра судят о количестве газа в баллонах, а по показаниям второго – о работе редуктора.

Так как автомобильные газобаллонные установки всегда предусматривают возможность питания двигателя и традиционным топливом, то и в рассматриваемой схеме обеспечено питание как газовым топливом, вводимым форсункой 20 в проставку 17, т. е. в зону между диффузором карбюратора и дроссельной заслонкой, так и жидким, вводимым в диффузор распылителем 18. Баллоны наполняются газом через вентиль 5.

Устройство и работа газобаллонной установки
для сжиженого газа

На рисунке 2 приведена схема газобаллонной установки грузового автомобиля ГАЗ-53-07, работающего на сжиженном газе.
Из баллона 7 через расходные вентили 6 (для паровой фазы) или 12 (для жидкой фазы), магистральный вентиль 5 и расходные трубки сжиженный газ поступает в испаритель 4, подогреваемый жидкостью из системы охлаждения двигателя.
Далее газ в паровой фазе проходит через сетчатый фильтр 3 и двухступенчатый редуктор 2, откуда засасывается в газовый смеситель 15.
Пуск и прогрев двигателя осуществляется только на паровой фазе, которую отбирают из баллонов через вентиль 6.

Газовый баллон 7 емкостью 170 л размещается под грузовой платформой автомобиля. Заполняют его через вентиль 10 до уровня, фиксируемого с помощью контрольного вентиля 9, а текущий запас топлива оценивают по указателю уровня 11.
Баллон оснащен предохранительным клапаном 8, срабатывающим в случае превышения давления сверх допустимого, равного 1,6 МПа.

Магистральный вентиль 5 и контрольные манометры 13 и 14 размещают в кабине водителя на контрольном щитке.
Запас жидкого топлива рассчитывают на кратковременную работу двигателя и хранят в бензобаке 1, который используют в случае отказа газовой аппаратуры или для поездки до ближайшей заправочной газовой станции. С этой целью двигатель оснащают однокамерным карбюратором.

Таким образом, питание газового двигателя бензином может осуществляться с помощью обычного базового карбюратора-смесителя с газовой проставкой или отдельного карбюратора упрощенной конструкции.

Топливные газы для газовых двигателей

Природный газ в газовые двигатели стационарных и транспортных энергетических установок поступает непосредственно из магистральных газопроводов с давлением 5,4…7,4 МПа.

Для питания стационарных двигателей газообразным топливом из газопроводов высокого давления на магистрали, идущей от газопровода к двигателю, размещают дросселирующее устройство для снижения давления газа. Перед смесительными органами двигателя помещают регулятор давления газа, который автоматически поддерживает заданное давление газа независимо от его расхода двигателем.

На автомобильных газовых заправочных станциях природный газ, поступающий из магистральных газопроводов, после очистки и сушки сжимается до 20 МПа и поступает для заправки газовых баллонов транспортных установок. Вследствие больших изменений давления газа и его расхода в газовых двигателях транспортных установок на пути газа от баллонов к двигателю устанавливают редуктор, снижающий давление газа перед смесительными устройствами. Этот редуктор представляет собой автоматический регулятор давления газа. Он отличается от регулятора давления газа, используемого в системе питания стационарного двигателя, лишь более высокой степенью снижения давления газа. В зависимости от числа элементов, в которых происходит последовательное снижение давления газа, различают одно-, двух- и многоступенчатые редукторы.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Для двигателей транспортных установок можно использовать газ среднего и низкого давления, получаемый на газораспределительных станциях конечных участков газопроводов. Эти станции предназначены для снижения давления газа перед его подачей в городскую сеть. В этом случае запас топлива в баллонах будет меньше, соответственно уменьшится и пробег транспортной установки.

В местах, удаленных от магистральных газопроводов, а также в сельской местности доставка топлива для транспортных установок осуществляется передвижными автогазозаправщиками, которые перевозят газ в баллонах при давлении 32 МПа.

Основной задачей системы подачи топлива в газовых двигателях является обеспечение оптимального соотношения между количеством воздуха и топлива на всех режимах работы.

Применение сжиженного природного газа характерно для главных газожидкостных двигателей судов метановозов, перевозящих газ в сжиженном состоянии в теплоизолированных емкостях. Ежедневно количество испарившегося перевозимого газа вследствие естественного нагрева составляет 0,09…0,25 % общего количества. Во избежание повышения давления в емкостях пары газа должны удаляться. Этого количества газа вполне достаточно для работы главных двигателей на полной мощности. При отсутствии газа двигатель автоматически переключается на жидкое топливо.

В газовых двигателях так же, как и в двигателях, работающих на жидком топливе, может быть осуществлено внешнее или внутреннее смесеобразование.

В зависимости от типа и назначения газового двигателя применяют, как и в двигателях, работающих на жидком топливе, количественное, качественное и смешанное регулирование.

Наибольшее распространение получило смешанное регулирование, при котором в области больших нагрузок мощность двигателя меняется в результате изменения качества горючей смеси, а в области малых нагрузок регулирование осуществляется изменением количества свежего заряда постоянного состава, поступающего в цилиндры двигателя.

К смесительным устройствам и газовым клапанам газообразное топливо подводится под давлением, которое зависит от способа смесеобразования и схемы регулирования двигателя.

Для двигателей с внешним смесеобразованием без наддува газ поступает к смесительным устройствам под давлением, возможно близким к атмосферному. Только в этом случае предотвращается утечка газа во внешнюю среду и проникновение воздуха в газопровод. При избыточном давлении происходит утечка газа, а в случае наличия вакуума в газопроводе образование горючей смеси из газа и воздуха может привести к взрыву.

В двигателях с внутренним смесеобразованием без наддува, а также в двигателях с любым смесеобразованием, но с наддувом газ подводится к газовому клапану под давлением, несколько превышающим давление продувки или наддува.

Давление газа перед смесительными устройствами при количественном регулировании должно поддерживаться постоянным независимо от его расхода, при качественном регулировании — изменяться по установленному закону. Эту задачу выполняют автоматические регуляторы давления газа, которые установлены на входе в газовый трубопровод двигателя.

Условия образования горючей смеси в газовых двигателях с внешним смесеобразованием более благоприятны, чем в двигателях, работающих на жидком топливе, так как газообразное топливо и воздух находятся в одном агрегатном состоянии, что позволяет использовать в газовых двигателях более простые смесительные устройства.

Смесеобразование осуществляется в газовоздушном смесителе или смесительном клапане, назначение которых состоит в тщательном перемешивании газа и воздуха в определенной пропорции. Смесительные устройства обычно выполняют функции органов регулирования двигателя.

В быстроходных газовых четырехтактных двигателях малой мощности хорошее смесеобразование благодаря высокой скорости воздуха и газа достигается в простейших газовоздушных смесителях. Простейший газовоздушный смеситель представляет собой обычный тройник, к одному из отверстий которого подводится газ, к другому — воздух, а из третьего газовоздушная смесь поступает в цилиндры двигателя. Смесители такого типа делают с большими проходными сечениями и малым гидравлическим сопротивлением.

В многоцилиндровых двигателях малой мощности обычно устанавливают один общий смеситель, питающий газовоздушной смесью все цилиндры двигателя. Количество горючей смеси, поступающей в цилиндры при различных режимах работы двигателя, и соотношение в ней газа и воздуха (качество смеси) регулируют заслонками, расположенными в патрубках смесителя. Управление газовоздушной заслонкой, регулирующей количество поступающей в цилиндры свежей смеси, осуществляется автоматически от регулятора частоты вращения коленчатого вала двигателя. Регулятор при помощи тяг и рычагов связан с валиком газовоздушной заслонки. Управление воздушной и газовой заслонками, регулирующими качество смеси, производится вручную.

Для лучшего перемешивания газа с воздухом и получения более равномерного состава смеси в цилиндрах в некоторых конструкциях газосмесительных устройств газовый поток разделяют на отдельные струи с помощью отверстий в диффузоре.

Качественное и количественное регулирование горючей смеси в газовоздушном смесителе осуществляется воздушной и газовоздушной заслонками.

Для обогащения горючей смеси, необходимого при работе двигателя с полной (номинальной) нагрузкой, в конструкции смесителя имеется дозирующее обогатительное устройство. Вакуумная полость А экономайзера соединена с впускным трубопроводом двигателя за газовоздушной заслонкой. При работе на частичных нагрузках, когда при прикрытой газовоздушной заслонке создается относительно высокий вакуум во впускном трубопроводе, мембрана вследствие разности давлений в полостях А и Б сжимает пружину и удерживает клапан экономайзера в закрытом положении. Газ поступает в диффузор смесителя через отверстие, соответствующее экономичной регулировке шайбы. При полном открытии газовоздушной заслонки, когда вакуум во впускном трубопроводе относительно низкий, пружина отжимает мембрану вверх и открывает клапан экономайзера. В диффузор поступает дополнительное количество газа через отверстие, соответствующее мощ-ностной регулировке шайбы.

В газовых двигателях средней и большой мощности необходимо перемешивать значительные объемы газа и воздуха. При использовании одного газового смесителя для питания многоцилиндрового двигателя трудно сохранить одинаковое наполнение цилиндров вследствие различия сопротивлений при впуске, а также одинаковый состав смеси ввиду изменения его во впускном трубопроводе. Нагрузка по цилиндрам двигателя в этом случае распределяется неравномерно. При неправильно отрегулированном составе смеси, при неполадках в работе органов газораспределения двигателя возрастает опасность взрыва горючей смеси во впускной системе, который может привести к аварии.

Для более равномерного распределения нагрузки по цилиндрам и предотвращения случайных взрывов во впускной системе уменьшают объем горючей смеси, приближая смесительные устройства к впускным клапанам двигателя. Поэтому для многоцилиндровых двигателей средней и большой мощности применяют специальные клапаны-смесители или индивидуальные смесители, устанавливаемые на каждый цилиндр отдельно.

В клапане-смесителе смешение газа и воздуха осуществляется над головкой впускного клапана, который приводится в действие обычным способом при помощи рычага и штанги с толкателем от кулачка распределительного вала. На стержень впускного клапана посажен газовый клапан, отжимаемый вверх пружиной 3 и перекрывающий отверстие для прохода газообразного топлива. При нажатии рычага на стержень впускного клапана он начинает открываться, и в цилиндр поступает только воздух. При дальнейшем открытии клапана упорное кольцо 4 на стержне открывает газовый клапан 2, и в цилиндр поступает смесь газа и воздуха, образующаяся непосредственно перед впускным клапаном. Запаздывание открытия газового клапана определяется величиной зазора (в существующих конструкциях 1…4 мм) между уступом и газовым клапаном. Порядок закрытия клапанов обратный, т. е. сначала закрывается газовый клапан, а затем впускной. При таком способе наполнения цилиндра свежей смесью исключается возможность обратной вспышки, так как в начале наполнения в цилиндр поступает только воздух, обеспечивающий его продувку, а не горючая смесь и, следовательно, она не может воспламениться от догорающих в цилиндре газов.

Внутреннее смесеобразование используют для двух- и четырехтактных двигателей с наддувом и без наддува для исключения потерь газа во время продувки. В двигателях с внутренним смесеобразованием в крышке каждого цилиндра необходимо установить дополнительный клапан для ввода газообразного топлива и использования системы качественного регулирования. Газовый клапан приводится в действие механическим либо гидравлическим способом. В последнем случае управляющий гидравлический насос под воздействием регулятора частоты вращения изменяет ход газового клапана в зависимости от нагрузки двигателя.

Хорошее смешение газов и воздуха при внутреннем смесеобразовании в двухтактных двигателях возможно лишь при условии впуска газа в начале хода сжатия под давлением, превышающим давление продувочного воздуха. Ограниченное время, отводимое на процесс смесеобразования, не позволяет получить однородную (по составу) смесь, как при внешнем смесеобразовании. Поэтому полнота сгорания в двигателях при внутреннем смесеобразовании несколько ниже, чем при внешнем.

На рис. 3 показана схема управления газожидкостного четырехтактного двигателя метановоза. Испарившийся сжиженный газ под давлением 0,3 МПа через отдельный газовпускной клапан в крышке двигателя поступает в цилиндр в процессе наполнения. Газовпускной клапан 3 приводится в действие механическим способом. Клапан впуска воздуха открывается с некоторым опережением относительно газовпускного клапана, чтобы предупредить обратные вспышки газа. Поступающий сначала воздух продувает цилиндр, снижает температуру остаточных газов. Газ и воздух перемешиваются и в конце процесса сжатия в газовоздушную смесь впрыскивается небольшое количество жидкого топлива, смесь паров которого с воздухом обладает более низкой температурой воспламенения по сравнению с газовоздушной смесью. Воспламеняясь, факел жидкого топлива образует в объеме газовоздушного заряда мощный многоочаговый источник зажигания и тур-булизации, достаточный для воспламенения и эффективного сгорания бедных газовоздушных смесей. Остальные процессы в газожидкостном двигателе происходят так же, как и у дизеля. Минимальное количество жидкого топлива, необходимого для устойчивого воспламенения и сгорания газовоздушной смеси, составляет 10% общего количества, потребляемого дизелем. Регулирование состава смеси осуществляется возвратом контролируемой части сжатого в турбокомпрессоре воздуха обратно на впуск в компрессор. Перепускной воздушный клапан, смонтированный в корпусе турбокомпрессора, реагирует на температуру выпускных газов и содержание в них кислорода.