Газовый двигатель

Автомобильная газозаправочная станция в Казани

Газовый двигатель — двигатель внутреннего сгорания, использующий газ в качестве альтернативного топлива: сжиженные углеводородные газы (пропан-бутан) или природный газ (метан).

Газовый двигатель работает по тепловому циклу Отто, когда теплота подводится к рабочему телу при постоянном объёме. Отличие от бензиновых двигателей, работающих по этому циклу — более высокая степень сжатия (около 17-ти). Объясняется это тем, что используемые газы имеют более высокое октановое число, чем бензин.

Как правило, газовые двигатели редко выпускаются серийно, за исключением применения их для специализированных задач в науке и технике.

Для работы на транспорте используются газовые двигатели, переоборудованные из традиционных бензиновых, а с недавнего времени — после развития в Европе соответствующих технологий — и из традиционных дизельных.

По причине более высокой степени сжатия дизельные двигатели более полно раскрывают потенциал газового двигателя по сравнению с бензиновыми «собратьями». Однако, переоборудование дизелей под использование газа имеет свои особенности. По причине того, что газ не воспламеняется, подобно дизельному топливу, при увеличении давления в цилиндре на такте сжатия, необходимо дооборудование дизелей системой зажигания (подобно бензиновым вариантам), либо использование в топливо-воздушной смеси части дизельного топлива в виде т. н. «запальной дозы» (от 30 до 50 % от всего количества топлива). В остальном, применение газа на дизельных двигателях все больше приобретает популярность, и обещает в ближайшие годы получить широкое распространение, как в виде газовых двигателей в «чистом виде», так и в универсальных газодизелях.

В целом, переоборудование двигателей внутреннего сгорания на транспорте под газовый двигатель существенно экономит средства их владельцам по причине более низкой отпускной цены на такой вид топлива.


Классификация[ | ]

Газовые двигатели имеют конструктивные различия — от незначительных до существенных — в зависимости от используемого ими конкретного вида газомоторного топлива.

В 1930-е1940-е годы в связи с нехваткой бензина широкое распространение получили газогенераторные автомобили. На автомобиль устанавливался газогенератор, из древесных чурок производился генераторный газ. В связи с низкой калорийностью газа (состав: окись углерода и водород) эти типы двигателей ушли в прошлое.

Современное газомоторное топливо может различаться по нескольким критериям.

По составу газа:

По физическому состоянию:

  • Сжиженное
    • Сжиженный природный газ (СПГ) — метан в сжиженном виде
    • Сжиженные углеводородные газы (СУГ) — пропан-бутановая смесь (в качестве автомобильного топлива используется только в сжиженном виде)

По оборудованию для использования:

  • С газобаллонным оборудованием (ГБО)
    • КПГ (компримированный природный газ)
    • СУГ (сжиженные углеводородные газы) — относительно высокая температура кипения пропан-бутановой смеси не требует криогенного оборудования, позволяя обходиться обычным газобаллонным.
  • СПГ (сжиженный природный газ) — требует криогенного оборудования

Устройство и принцип работы газобаллонного автомобиля[ | ]

Газозаправочная аппаратура на автомобиле
Карбюратор-смеситель

Автомобиль, оснащённый газобаллонным оборудованием (ГБО), использует в качестве топлива или СУГ (сжиженные углеводородные газы, представляющие из себя пропан-бутановую смесь), или КПГ (компримированный природный газ).

СУГ на автомобиле находится в баллонах под давлением до 16 атмосфер (баллон рассчитан на максимальное давление 25 атмосфер), установленных на раме, под полом салона автобуса или на его крыше, или в багажнике легкового автомобиля.

На баллоны для СУГ устанавливается специальный мультиклапан, через который производится заправка баллона и отбор газа в топливную систему двигателя. Мультиклапан является важным компонентом газобаллонного оборудования, обеспечивающим его безопасное использование. Он включает в себя[1]:

  • Заправочный и расходный вентиль
  • Указатель уровня газа в баллоне. Представляет собой поплавок на рычаге, находящийся внутри баллона, и связанный с ним стрелочный индикатор либо электронную схему, передающую информацию о положении поплавка на индикатор внутри салона автомобиля
  • Обратный клапан в заправочной магистрали, предотвращающий вытекание газа через неё
  • Скоростной клапан в расходной магистрали, перекрывающий подачу газа при превышении его расходом некоторого порогового значения. Порог подобран так, чтобы клапан закрывался только при разрыве расходной магистрали (предотвращая, таким образом, сильную утечку газа), и оставался открытым при обычном уровне расхода газа.
  • Стопорный клапан, предотвращающий наполнение баллона газом более чем на 80-90 %%. Клапан находится в заправочной магистрали и закрывается при достижении указанной степени заполнения баллона. Ограничение максимального наполнения баллона необходимо для предотвращения чрезмерного повышения давления в нём в случае нагрева (например, на солнце в жаркую погоду)

Мультиклапан также может содержать в себе предохранительный клапан (стравливает газ при высоком давлении, например при перегреве баллона), пробку из легкоплавкого сплава (не допустить взрыва баллона при пожаре, сбросить газ в атмосферу, чтобы он просто сгорел) и дополнительный вентиль для отбора в двигатель паровой фазы при запуске холодного двигателя. Однако, наличие данных компонентов в мультиклапане не обязательно.

КПГ находится под давлением до 200 атмосфер. Несколько баллонов объединены в общую магистраль, имеется общий заправочный вентиль, каждый баллон также имеет собственный вентиль.

Газ из общей магистрали поступает в испаритель (подогреватель) — теплообменник, включён в систему жидкостного охлаждения, после прогрева двигателя газ подогревается (сжиженный газ испаряется) до температуры ≈75 °C. Далее газ проходит через магистральный фильтр.

Затем газ поступает в двухступенчатый газовый редуктор, где его давление снижается до рабочего. Современные газовые редукторы обычно совмещают эти два устройства (испаритель и собственно редуктор) в едином устройстве[2].

Далее, газ поступает в смеситель (или в карбюратор-смеситель или в смесительную проставку под штатным карбюратором, определяется конструкцией топливной аппаратуры). В силу того, что в смесителе происходит смешивание двух газов, их конструкция существенно проще чем конструкция бензиновых карбюраторов[3], в которых происходит смешивание двух разных фаз — жидкой (бензин) и газообразной (воздух), из-за чего в конструкции карбюратора имеются довольно сложные системы для поддержания постоянного состава смеси при разных расходах.

Двигатели разделяются на:

  • специальные (или модифицированные), предназначенные только для работы на газе, бензин используется краткосрочно при неисправности газовой аппаратуры, когда нет возможности произвести ремонт на месте;
  • универсальные, рассчитанные на длительную работу как на газе, так и на бензине.

Бензобак и топливный насос на автомобилях с газовыми двигателями сохраняются.

В холодное время года запуск двигателя, работающего на сжиженном газе производится путём отбора паровой фазы, после прогрева испарителя происходит переключение на жидкую фазу. Однако, для бензиновых двигателей, переоборудованных для работе на газе, крайне рекомендуется[4] пуск двигателя осуществлять на бензине, а на газ двигатель переключать после прогрева до температуры 40-50 °C.

Двигатели на СПГ[ | ]

Начиная с 1990-х годов появляются различные проекты использования СПГ в качестве моторного топлива на водном[5], железнодорожном и даже автомобильном транспорте, чаще всего с использованием переоборудованных газодизельных двигателей[6].

На судах СПГ как основной вид топлива используется как на грузовых, так и на пассажирских перевозках:

В России выпускается тепловоз ТЭМ19-001, работающий на СПГ[8][9]. В США и Европе появляются проекты по переводу грузового автомобильного транспорта на СПГ[10][11].

Разрабатываются ракетные двигатели, использующие в качестве топлива «СПГ + жидкий кислород» (данный вид двигателей имеет ряд преимуществ).

См. также[ | ]

Примечания[ | ]

  1. Описание конструкции мультиклапана Lovato. Архивировано 9 марта 2013 года.
  2. Описание конструкции редуктора-испарителя Lovato. Архивировано 9 марта 2013 года.
  3. Принцип функционирования смесителя. Архивировано 9 марта 2013 года.
  4. Руководство по эксплуатации ГБО.
  5. Природный газ на водном транспорте, 1986.
  6. Гайнуллин Ф. Г., Гриценко А. И., Васильев Ю. Н., Золотаревский Л. С. Природный газ как моторное топливо на транспорте. — М.: «Недра», 1986.
  7. Первый лайнер AIDA на сжиженном газе спущен на воду, CruiseRadar (22 августа 2018). Дата обращения 6 сентября 2018.
  8. Локомотив с американским сердцем.
  9. На МЖД испытали тепловоз на сжиженном газе Архивная копия от 17 мая 2014 на Wayback Machine
  10. Перспективы США: перевод грузового транспорта на природный газ (недоступная ссылка). Дата обращения: 16 мая 2014. Архивировано 17 мая 2014 года.
  11. Сжиженный природный газ (СПГ) как альтернатива нефти в транспортном секторе

Ссылки[ | ]