Ввиду повсеместных усилий, направленных на снижение выбросов СO₂, природный газ приобретает все большую важность в ка­честве альтернативного вида топлива для автомобилей. Сжатый природный газ (СПГ), который не следует путать со сжиженным нефтяным газом (СНГ), в основном состоит из метана. Сжиженный нефтяной газ в основ­ном состоит из пропана и бутана. Работа двигателя на сжатом природном газе несколько отличается. Вот о том как происходит работа двигателя на природном газе, мы и поговорим в этой статье.

 

Применение сжатого природного газа на автомобилях

 

По сравнению с бензином, при сгорании сжатого природного газа образуется приблизительно на 25% меньше СO₂. Таким образом, сжатый природный газ дает наи­меньшее количество выбросов СO₂ из всех видов ископаемого топлива. Применение в качестве топлива биогаза позволит в еще большей степени снизить глобальные вы­бросы парниковых газов. В связи с более низким содержанием СO₂ в отработавших га­зах, транспортный налог на автомобили, ра­ботающие на сжатом природном газе, во многих странах снижен.

Тем временем различные производители начали предлагать варианты автомобилей, оборудованных для работы на сжатом при­родном газе. При этом баллоны для СПГ большего объема размещаются более удобно и эффективно, без потерь полезного объема багажного отделения, практически неизбеж­ных при доделке автомобилей.

Последнюю информацию о количестве автомобилей, которые могут работать на СПГ, и сети заправочных станций сжатого природного газа в Гер­мании можно найти в Интернете. Такие автомобили, как правило, явля­ются двухтопливными, т.е. водитель может переключаться с бензина на газ и обратно. Существуют также варианты, получившие название «Monovalent plus», в которых дви­гатель оптимизирован для работы на природ­ном газе с целью как можно более полного использования его преимуществ по сравне­нию с бензином (более высокая стойкость к детонации, меньшее количество выбросов СO₂ и токсичных веществ). На автомобилях варианта «Monovalent plus», тем не менее, предусмотрен небольшой бензобак (<15 л), чтобы можно было продолжать движение на бензине в случае отсутствия поблизости стан­ции заправки природным газом.

 

Конструкция автомобиля, работающего на сжатом природном газе

 

Хранение природного газа в автомобиле

 

Природный газ может храниться в жидком состоянии при температуре -162°С (сжижен­ный природный газ) или в сжатом виде при давлении до 200 бар (сжатый природный газ, СПГ). Ввиду больших затрат, связанных с хранением природного газа в жидком со­стоянии, стандартным способом стало хра­нение в сжатом виде при давлении 200 бар. Несмотря на столь высокое давление, плот­ность хранения энергии у природного газа значительно меньше, чем у бензина. Для хра­нения количества природного газа с таким же энергосодержанием, как у бензина, требуется бак в четыре раза большего объема.

 

Компоненты систем на сжатом природном газе

 

Автомобили, способные работать на при­родном газе, практически исключительно оборудованы двигателями с искровым зажи­ганием. Дополнительные компоненты вклю­чают следующее (см. рис. «Работа двигателя на природном газе или бензине» ):

• Заправочная горловина;
• Баллон для природного газа;
• Запорные клапаны высокого давления (на баллоне для природного газа);
• Регулятор давления природного газа с дат­чиком высокого давления;
• Газовая рампа с газовыми форсунками;
• Комбинированный датчик давления и тем­пературы.

 

Принцип действия двигателя на природном газе

 

Всасываемый двигателем воздух проходит через датчик массового расхода воздуха и дроссельную заслонку с электронной систе­мой управления и поступает во впускной тру­бопровод. Отсюда он подается в камеру сго­рания через впускные клапаны (см. рис. «Работа бензинового двигателя на сжатом природном газе или бензине» ). Природный газ, находящийся в баллоне под давлением 200 бар, проходит через запорный клапан высокого давления на баллоне и по­ступает в модуль регулирования давления, который снижает давление до постоянного рабочего давления, составляющего прибли­зительно 7 бар (абсолютное давление). Затем по гибкому шлангу низкого давления газ поступает в газовую рампу, откуда он подается к газовым форсункам.

 

 

Системы управления двигателем для двух­топливных автомобилей

 

В настоящее время находят применение си­стемы как с двумя блоками управления (по одному блоку управления для работы на бен­зине и газе), так и с одним общим блоком управления. На некоторых двухтопливных ав­томобилях водитель может выбирать работу на бензине или газе при помощи переключателя, однако на большинстве моделей это пере­ключение осуществляется автоматически, т.е. двигатель работает на газе до тех пор, пока газ не заканчивается. В этом случае происходит автоматическое переключение на бензин.

Датчик высокой температуры, установлен­ный на модуле регулирования давления, вы­дает в систему управления двигателем данные о текущем запасе газа в баллоне, а также ис­пользуется при выполнении диагностики. Ком­бинированный датчик давления и температуры, установленный на газовой рампе, позволяет си­стеме управления двигателем корректировать момент и продолжительность впрыска газа та­ким образом, чтобы состав смеси во впускном трубопроводе оставался стехиометрическим, несмотря на колебания плотности газа. Система управления двигателем также включает меха­низм адаптации к изменениям свойств газа.

Остальные датчики и исполнительные устройства системы управления двигателем в основном идентичны используемым в бен­зиновом двигателе.

 

Смесеобразование в двигателях на сжатом природном газе 

 

В большинстве двигателей при работе на при­родном газе, так же как при работе на бензине, газ подается во впускной трубопровод. Из «об­щей топливной рампы низкого давления» газ подается к форсункам, которые в импульсном режиме осуществляют впрыск природного газа во впускной трубопровод. При этом улуч­шаются условия смесеобразования, поскольку подача полностью газообразного топлива исключает возможность его конденсации на стенках впускного трубопровода и отложения на них пленки топлива, как это может проис­ходить при работе на бензине. Выброс токсич­ных компонентов с отработавшими газами при использовании сжатого природного газа снижается, особенно при работе двигателя в режиме прогрева.

В настоящее время на рынке предлага­ются двухтопливные автомобили и варианты «Monovalent plus». Двухтопливные автомо­били могут работать как на природном газе, так и на бензине, однако при работе на природ­ном газе эффективная мощность двигателя снижается приблизительно на 10-15%. Это связано с более низким значением мощности на единицу рабочего объема двигателя, что можно объяснить вытеснением всасываемого воздуха, нагнетаемым природным газом.

Двигатели автомобилей могут быть опти­мизированы специально для работы на при­родном газе. Чрезвычайно высокая стойкость природного газа к детонации (октановое число по исследовательскому методу (RON) до 130) дает возможность увеличить степень сжатия и делает природный газ идеальным топливом для двигателей с наддувом. Одновременное уменьшение рабочего объема цилиндров по­вышает к.п.д. двигателя, благодаря дополни­тельному снижению сопротивления и потерь на трение.

 

Выбросы отработавших газов

 

При работе двигателя на природном газе коли­чество выбросов СO₂ снижается, по сравнению с работой на бензине, приблизительно на 25%. Причина заключается в более благоприятном соотношении водород/углерод (отношение Н/С) — почти 4:1 (для бензина приблизительно 2:1). Это приводит к образованию во время сгорания природного газа большего количе­ства воды и меньшего количества СO₂.

Кроме практически полного отсутствия в вы­бросах твердых частиц, в сочетании с трехком­понентным каталитическим нейтрализатором, двигатель, работающий на природном газе, производит очень небольшие количества ток­сичных веществ (NO_x, СО и НС). Каталитический нейтрализатор для двигателя, работающего на природном газе, содержит большее количество благородного металла, что необходимо для улуч­шения преобразования углеводородов, состоя­щих в основном из химически стабильного ме­тана, и компенсации более высокой температуры «поджига» для природного газа (минимальная температура каталитического нейтрализатора, при которой начинается преобразование токсич­ных веществ). Следует указать, что, в отличие от Европы, в США метан классифицируется как нетоксичное вещество и, следовательно, не рас­сматривается американским законодательством в области ограничения токсичности отработав­ших газов, как загрязняющее вещество.

Автомобили, работающие на природном газе, отвечают высоким требованиям в отно­шении предельного содержания токсичных веществ в отработавших газах, особенно это относится к автобусам, которые должны отвечать более строгим требованиям EEV (усо­вершенствованный экологически чистый автомобиль). Использование природного газа также дает значительные преимущества по сравнению с бензиновыми и дизельными двигателями в отношении выбросов загряз­няющих веществ, не регламентируемых за­конодательством. Некоторые из них являются канцерогенами, а также способствуют образованию смога и кислотных дождей.

 

Компоненты двигателей на сжатом природном газе 

 

Форсунка природного газа

 

Для обеспечения двигателя внутреннего сгора­ния газообразным топливом необходимо до­зировать через газовые форсунки значительно большие объемы газа, чем объемы бензина в обычном бензиновом двигателе. Это условие предъявляет особые требования к конструкции газовой форсунки, которая должна быть адап­тирована к этим высоким значениям объемного расхода газа посредством увеличения проход­ных сечений. Кроме того, высокие скорости по­тока газа требуют специальной формы каналов с целью снижения потерь давления в форсунке.

В двигателях с интенсивным наддувом дав­ление во впускном трубопроводе может воз­растать до 2,5 бар (абсолютное давление). Для снижения влияния давления во впускном трубо­проводе на массовый расход необходимо, чтобы давление перед соплом в самом узком месте (точка дросселирования) было, как минимум, в два раза больше максимального давления во впускном трубопроводе (давление после сопла). При этом скорость газового потока равна скоро­сти звука, независимо от абсолютного давления после сопла. Отсюда следует, что переменное давление во впускном трубопроводе не ока­зывает влияния на массовый расход. С учетом возможных потерь давления перед точкой дрос­селирования минимальное рабочее давление (абсолютное) должно составлять 7 бар.

 

Конструкция и принцип действия газовой форсунки

 

Якорь электромагнита (см. рис. «Форсунка природного газа» ) находится в гильзе, служащей в качестве направляющей. Топливо протекает через канал внутри якоря. На выходном конце этого канала имеется эласто­мерное уплотнение. Это уплотнение прилегает к седлу клапана и изолирует подачу топлива от впускного трубопровода. При подаче питания катушка электромагнита создает магнитную силу, необходимую для подъема якоря элек­тромагнита и открытия дозирующего сечения (точка дросселирования в седле клапана). Когда катушка обесточена, пружина клапана удержи­вает форсунку в закрытом положении.

 

Оптимизированная геометрия газовой форсунки

 

Благодаря оптимизированному маршруту потока, потери давления перед точкой дрос­селирования сведены к минимуму, что обе­спечивает максимально возможный массовый расход. Кроме того, самое узкое сечение и, следовательно, точка дросселирования нахо­дится на выходном конце, после уплотнения. Здесь скорость потока близка к скорости звука, поэтому в физическом смысле клапан пред­ставляет собой практически идеальное сопло.

 

Геометрия уплотнений форсунки для природного газа

 

Газовая форсунка установлена с эластомер­ным уплотнением и в отношении геометрии уплотнения седла подобна запорным клапа­нам для пневматических систем. Эластомер­ный материал улучшает герметичность уплот­нения металлических игольчатых клапанов.

Эластомерный материал также обладает демпфирующими свойствами и предотвра­щает «дребезг», т.е. повторные нежелательные колебания якоря электромагнита вовремя за­крытия, что повышает точность дозирования.

 

Модуль регулирования давления

 

Функция модуля регулирования давления за­ключается в снижении давления природного газа в баллоне до номинального рабочего дав­ления. В то же время рабочее давление необ­ходимо с определенным допуском поддержи­вать постоянным при любых условиях работы. Величина рабочего давления в современных системах составляет 7-9 бар (абсолютное). Существуют также системы, в которых рабо­чее давление составляет от 2 до 11 бар.

 

Конструкция модуля регулирования давления

 

В настоящее время в основном используются регуляторы давления диафрагменного или плунжерного типа. Снижение давления осу­ществляется за счет дросселирования. Регуля­торы давления могут быть одноступенчатыми или многоступенчатыми.

На рис. «Модуль регулирования давления» показан разрез одноступенчатого регулятора давления диафрагменного типа. Модуль регулирования давления содер­жит спеченный фильтр (40 мкм), запорный клапан и датчик высокого давления, уста­новленные на стороне высокого давления. Спеченный фильтр служит для фильтрации твердых частиц, содержащихся в потоке газа.

Запорный клапан позволяет перекрывать по­ток газа, например, когда двигатель остановлен. Датчик высокого давления служит для определения наличия газа в баллоне, а также используется при выполнении диагностики.

На стороне низкого давления усыновлен клапан сброса давления. В случае неисправности регулятора давления этот клапан предот­вращает повреждение компонентов системы низкого давления.

При нормальных условиях газ вовремя рас­ширения очень сильно охлаждается (эффект Джоуля-Томпсона). Для предотвращения за­мерзания газа модуль регулирования давления имеет встроенный обогреватель, подключенный к системе отопления автомобиля

Величина рабочего давления зависит от раз­мера диафрагмы и начального натяжения пру­жины, которое устанавливается при помощи регулировочного винта на заводе-изготовителе.

 

Принцип действия модуля регулирования давления

 

Поток газа со стороны высокого давления че­рез регулируемую дроссельную диафрагму поступает в камеру низкого давления, в ко­торой находится мембрана. Мембрана через регулирующий стержень регулирует степень открытия дроссельной диафрагмы. Когда дав­ление в камере низкого давления понижается, мембрана прижимается пружиной к дроссель­ной диафрагме, которая открывается, позво­ляя возрастать давлению на стороне низкого давления. При повышении давления в камере низкого давления пружина дополнительно сжи­мается, и дроссельная диафрагма закрывается. Уменьшение проходного сечения дроссельной диафрагмы вызывает снижение давления на стороне низкого давления. В установившемся режиме образуется проходное сечение дроссельной диафрагмы, требуемое для создания рабочего давления, и давление в камере низкого давления остается практически постоянным.

Минимальные колебания рабочего давле­ния при изменениях нагрузки свидетельствуют об исправности регулятора давления.