Предпочтительные схемы перевода дизельного двигателя на метан для наземно-транспортных средств определенного назначения

В городских условиях, одним из главных требований, предъявляемых к транспорту, является его экологичность, исходя из этого требования на муниципальном транспорте, по перевозке пассажиров больших объемов в день, с среднесуточным пробегом свыше 200 км, рационально использовать двигатели конвертируемые под работу по газовому циклу, а именно работу на метане. На рисунке 1 показано традиционная система подключения газобаллонного оборудования (в дальнейшем ГБО)

При реализации этой схемы выделяются следующие преимущества:

1. Наименьший ущерб экологии городской среды по сравнению с дизельными и газодизельными двигателями.
2. Снижение трудоемкости работ по проведению технического обслуживания двигателя из-за отсутствия системы подачи и регулирования запальной дозы жидкого топлива.
3. Более устойчивая работа двигателя на холостом ходу по сравнению с газожидкостным циклом, наполняемостью цилиндров свежим зарядом и уменьшения его задержки воспламенения посредством принуждения от искры, лучшее смешения газа с окислителем (воздухом) и ,следовательно, горением рабочего тела, точной регулировкой цикловой подачи.
4. Меньший шум работы двигателя по сравнению с дизельным на 3-6 Дб.
5. Доступность АГНКС при использовании НТС внутри городской транспортной системы

Недостатками реализации этой схемы являются:

1. Высокая трудоемкость при конвертировании дизельного двигателя на газовый цикл, из-за высокой стоимости монтажа газобаллонного оборудования и невозможность дальнейшей работы на дизельном топливе.

Под работу на метане требуется снижение степени сжатия с 18-20 до 12-13 за счет фрезерования поршня, установки шатуна меньшей длины, доработкой головки блока цилиндров (ГБЦ), а так же установки металлической прокладки под ГБЦ; установка газовых форсунок во впускной коллектор; установка системы зажигания.

2. Стоимость конвертирования дизельного двигателя под работу на метане составляет от 600 000 — 700 000 рублей [3] и зависит от следующих факторов:

• числа цилиндров (4, 6,8 или 12);
• марки газовой системы;
• количества и типа баллонов для газа, а под метан они стоят дороже, чем под пропан-бутан, так как метан находится под давлением 200 атмосфер;
• системы топливоподачи (традиционная или аккумуляторная (Common Rail)) .

Для коммерческого транспорта, работающего на меж городских маршрутах, рационально конвертирование двигателя на газожидкостный цикл, а именно газодизельный, для наиболее выгодной эксплуатации и повышение технико-экономических показателей транспорта.

На рисунке 2 показана схема работы двигателя по газодизельному циклу.

Особенностью использования газодизельного цикла являются:

1. Малая трудоемкость и цена при переводе дизельного двигателя на газожидкостный цикл.
2. Возможностью работы двигателя как по газожидкостному, так и по жидкостному циклу.
3. Мало развитая сеть АГНКС, что является одним из главных факторов при выборе конвертации двигателя
4. Меньшего загрязнения экологической среды, по сравнению с двигателями, работающих на дизельном топливе, вредными веществами поступающих с отработавшими газами твердых частиц, таких как сажа и свинец.

Увеличение экономических показателей достигаются при использовании в виде второго топлива компримированного природного газа. Высокий процент замещения и высокая эффективность работы достигаются за счет использования комбинированной технологии. Максимальный процент замещения при использовании КПГ составляет 85%, средний процент замещения — 70%.

Алгоритм системы управления работы двигателя выполняет постоянный мониторинг нагрузки, давления в топливной магистрали, обороты вращения и положение коленвала, теплового состояния топлива, поступающего с датчиков. После обработки этих данных блок управления газобаллонного оборудования выдает управляющие сигналы на форсунки газового впрыска, обеспечивая подачу газа в двигатель и на шаговый двигатель/электронный блок, управляющий подачей дизельного топлива. Таким образом, поддерживается оптимальный топливный баланс, что в разы увеличивает эффективность работы в комбинации с инжекторной системой подачи газа.

Перевод на газодизельный процес имеет свои недостатки и трудности осуществления на двигателях с традиционной системой топливоподачи (без многочисленных датчиков контроля давления в топливной магистрали высокого давления, датчика давления и температуры в коллекторе всасываемого воздуха, датчика положения коленчатого вала двигателя и электромагнитных форсунок, для обеспечения точной цикловой подачи и количества запального дизельного топлива по углу опережения впрыска на разных режимах работы двигателя).

Отсутствие всего этого усложняет осуществление регулирования точной по времени (с учетом задержки воспламенения рабочего тела) и количества запальной дозы на различных нагрузочных режимах, для обеспечения максимального технико-экономических показателей, а именно уменьшению соотношения жидкого топлива к газовому. Поэтому порцию запального (жидкого) топлива подбирают с учетом стабильной на номинальном режиме работы двигателя без изменения угла опережения впрыска и соотношения жидкого топлива к газовому. По решению этой проблемы ведутся многочисленные разработки и уже имеются патенты.

Необходимо отметить, что вместе с компримированным природным газом в дизельном двигателе, можно использовать сжиженный природный газ(СПГ), хранящийся в жидком состоянии в криогенном баллоне при температуре -161 ⁰С и давлении почти равному атмосферному. В СПГ соотношение одного кубометра жидкого газа к одному кубометру газообразного компримированного природного газа (КПГ), равно 1: 560 — 1: 600, что выше такого же соотношения у пропан — бутана и КПГ 1:200...1:280,и что позволяет проезжать на СПГ большее расстояние, чем при том же объеме пропан — бутана и КПГ. Кроме того использование СПГ, из-за своих химико-физических свойств, не требует дополнительной смазки двигателя, что также оказывает влияние на снижении издержек при выборе этого вида топлива для грузоперевозок.

Одним из лучших преимущество СПГ — в сжиженном состоянии объем газа уменьшается почти в 600 раз. В реальности это говорит о том что в равном объеме содержится СПГ в 3 раза больше, чем компримированного природ. газа (КПГ) при давлении около 20 МПа. Таким образом при хороших условиях в машине с баллоном емкостью 50 литров, при давлении в 20 МПа, будет находиться 10-12 м³ природного газа в газовом состоянии, это будет равно 12-15 л. бензина, а масса тары для транспортировки и хранения уменьшается.

Объем криобака может составлять 450 литров, или 240 м³ газа, чего вполне хватит для пробега почти в 600 км. и заменяет 10 баллонов по 108 литров КПГ.

Таким образом, рассмотренные выше схемы конвертирования дизельного двигателя для работы на метане, реализовывают в зависимости от эксплуатации и назначения НТС.