CC BY
238
ОПЫТ КОНВЕРТАЦИИ ДИЗЕЛЕЙ В ГАЗОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
Ф.И. Абрамчук, д.т.н., профессор, ХНАДУ,
А.М. Левтеров, к.т.н., ст. науч. сотр., и. о. зав. отделом, ИПМаш НАН Украины
Аннотация. Приведен краткий обзор опыта зарубежных и отечественных специалистов конвертации дизелей различного назначения в газовые двигатели с искровым зажиганием. Отмечены проблемы научно-технического характера, которые необходимо решить для реализации одного из направлений частичного замещения жидких нефтяных топлив природным газом с целью улучшения энергоэкологических показателей транспортных и других силовых установок с ДВС.
Ключевые слова: конвертация, дизель, природный газ, токсичность отработавших газов.
Введение
На различных этапах развития и совершенствования поршневых двигателей изменялась мотивация к использованию того или иного вида топлива для них. Но некоторые тенденции в этом развитии, такие как постоянный рост количества производимых и используемых силовых (в основном транспортных) установок с ДВС, а также постоянный рост количества потребляемого ими топлива, остаются неизменными и сегодня. Последствия этих тенденций известны: это, во-первых, прогнозируемое исчерпание запасов сырья для производства традиционных жидких моторных топлив нефтяного происхождения, во-вторых, это катастрофически негативное влияние на окружающую среду, причем, как стало совершенно понятно в последнее время, это негативное влияние носит глобальный характер, т.е. человечество своей деятельностью уничтожает среду собственного обитания. К сожалению, этот процесс приобрел столь широкий размах и масштабы, что остановить его, а тем более в короткие сроки, является архитрудной проблемой. Что же касается мотивации использования того или иного вида топлива, то она диктовалась до сих пор в основном экономическими соображениями иногда и глобального масштаба. Вспышки интереса к топливам, альтернатив-
ным традиционному нефтяному, возникали в периоды нефтяных кризисов, или в тех отдельных регионах планеты, где государства, не имеющие собственных запасов нефти, пытались снизить зависимость от мировых поставщиков нефти. Хорошим примером может служить Бразилия и другие страны Южной Америки, давно уже использующие моторные топлива на основе спирта из возобновляемого сырья. Одним из важнейших, альтернативных жидким нефтяным топливам, является природный газ. Во-первых, потому что разведанные его запасы в недрах земли во много раз превышают запасы нефти; во-вторых, потому что природный газ по своим моторным свойствам, влияющим на важнейшие энергоэкологические характеристики ДВС, превосходит жидкие нефтяные топлива; в-третьих, поскольку природный газ для использования его в качестве моторного топлива не требует, в отличие от нефти, глубокой переработки и связанных с этим немалых дополнительных затрат, себестоимость его всегда объективно ниже себестоимости жидких нефтяных топлив. Причем, речь идет о стоимости единицы получаемой энергии. Отдельно следует отметить такое преимущество природного газа, как существенно более низкое влияние на загрязнение окружающей среды (особенно грунта и воды), чем жидких нефтяных топлив. Опыт использования при-
родного газа, как моторного топлива, является очень полезным при разработке технологий использования в этом качестве любых других горючих газов. В связи с изложенными преимуществами природного газа, как моторного топлива, возрастает интерес к нему и необходимость развития соответствующей инфраструктуры для его масштабного использования. Реализация такого развития предусматривает как минимум два вектора. Первый - это существенное расширение парка силовых установок (СУ) с газовыми двигателями. Второй - это существенное расширение сети газопроводов, АГНКС, соответствующего сервиса.
Остановимся на расширении парка СУ с газовыми двигателями и проблемами, связанными с этим.
На практике расширение масштабов использования природного газа, как моторного топлива, реализуется по нескольким направлениям.
1. Создание двухтопливных двигателей на базе двигателей Отто. Это достигается установкой на транспортные средства (ТС) или СУ газовой аппаратуры, которая работает параллельно с жидкостной топливной системой. У этого способа есть свои преимущества и недостатки. К преимуществам относятся минимальные изменения конструкции двигателя и возможность работы двигателя и на жидком и на газовом топливе. Недостатком является недоиспользование потенциала газового топлива из-за низкой степени сжатия, характерной для базового двигателя, из-за чего страдает экономичность двигателя.
2. Создание производства газовых двигателей. Это направление связано с огромными дополнительными вложениями и не выдерживает конкуренции с традиционным производством двигателей Отто и дизелей. (Есть опыт серийного производства газовых мотор-компрессоров большой мощности для газоперекачивающих станций).
3. Конвертация дизелей в газодизели и газовые двигатели с искровым зажиганием (ИЗ). Т.к. газодизели по сумме экономических, технических и экологических показателей способны занять лишь небольшую нишу в структуре силовых установок с ДВС, рассмотрим более подробно проблемы кон-
вертации дизелей в газовые двигатели с ИЗ. У этого направления также есть свои преимущества и недостатки.
К преимуществам следует отнести следующее: без создания нового производства, при относительно небольших затратах можно получить двигатель с высокой степенью сжатия, а значит с более экономичным рабочим циклом; современный грузовой автотранспорт оснащен, как правило, мощными силовыми установками с дизелями, а следовательно этот сектор имеет неоспоримое преимущество перед СУ с двигателями. Отто, которые переоборудуются более простым способом и которые с такой агрегатной мощностью как у дизелей для грузового автотранспорта просто не выпускаются.
К недостаткам этого направления следует отнести то, что после конвертации дизеля в газовый двигатель с искровым зажиганием он становится однотопливным, а это усложняет его эксплуатацию в условиях отрицательных температур (-15 °С и ниже). Причем, это касается только его пусковых характеристик, при существенном улучшении износных характеристик и сокращения времени выхода на рабочий режим, а два последних фактора являются не недостатками, а преимуществами конвертированного двигателя.
Анализ публикаций
Мировой опыт создания газовых двигателей на базе дизелей известными фирмами (Ниссан, MAN, RABA-MAN, Даймлер-Бенц, Камминс, КАМАЗ и др.) [1], [2], [3], [4] показывает целесообразность такого направления расширения использования природного газа в качестве моторного топлива. Есть такой опыт и в Украине. Пионерами здесь можно назвать ИГ НАНУ (середина 90-х годов), ИПМаш НАНУ (г. Харьков, 2003 г.), ХНАДУ и ЛГТУ (2005 г.). Здесь перечислены только те организации, чьи работы были освещены в научной и популярной печати.
Анализ разработок этих организаций свидетельствует о том, что получен опыт конвертации в газовые двигатели нескольких типов дизелей, устанавливаемых на транспортных средствах и сельхозмашинах отечественного парка, а также используемых в стационарных силовых установках различного назначения.
Так в ИГ НАНУ созданы и доведены до коммерческого образца газопоршневые электроагрегаты на базе дизель-генераторов отечественного и зарубежного производства мощностью от нескольких кВт до 360 кВт в одном агрегате. Особенностью разработки является то, что системы управления двигателем обеспечивают однорежимный характер работы.
В ИПМаш НАНУ разработана технология конвертирования и создан действующий образец газового двигателя с ИЗ на базе дизеля широкого назначения Д-21, имеющего номинальную мощность 18 кВт [5]. Технология предусматривает минимум конструктивных изменений двигателя и максимальную ориентацию на использование серийно выпускаемых газовой аппаратуры и системы зажигания высокой энергии.
В ХНАДУ совместно со специалистами из ИПМаш разработана технология конвертации и создан действующий образец газового двигателя с ИЗ на базе безнаддувного ЯМЗ-236. Особенностью данной разработки, является применение оригинальной системы зажигания высокой энергии с дополнительными функциями, которая должна обеспечить двигателю хорошие пусковые характеристики в условиях отрицательных температур.
Общим для перечисленных разработок является снижение степени сжатия базового двигателя до 10^12 путем увеличения объема камеры сгорания в поршне и использования систем зажигания высокой энергии.
В Луцком государственном технологическом университете конвертирован в газовый двигатель с ИЗ широко используемый в Украине безнаддувный дизель Д-240, белорусского производства [7]. Особенностью технологии конвертации данного дизеля в газовый двигатель с ИЗ явилось то, что снижение степени сжатия с 16 до 12 достигнуто без увеличения объема КС в поршне, (т.е. без дообработки поршня), за счет установки трех прокладок между головкой и блоком целин-дров общей толщиной 4,5 мм. Таким образом, реконвертация газового двигателя в дизель в этом случае возможна с наименьшими затратами. Однако следует отметить, что для двигателей с цепным или ременным приводом распределительного вала верхнего
расположения такая технология конвертации мало пригодна или невозможна совсем. Кроме того, при такой технологии конвертации необходима периодическая трудоемкая подтяжка болтов крепления головки блока цилиндров.
Интересен опыт российских специалистов, создавших автомобильный газовый двигатель с ИЗ второго поколения на базе дизеля КАМаз 740.13-260 с турбонаддувом [4]. Особенностью газового двигателя является распределенная система подачи газа во впускной патрубок каждого цилиндра с помощью газовых клапанов с электромагнитным приводом, а также МПСУ подачей топлива и углом опережения. Благодаря наличию наддува газовый двигатель имеет такой же температурный режим, что и базовый дизель.
Выводы
Следует отметить, что это лишь небольшой опыт, полученный в этой области. А результаты его показывают, что многие проблемы, как научно-технического характера, так и коммерческого предстоит еще решать. Научно-технические проблемы заключаются в следующем.
1. Совершенствование технологий конвертирования дизелей в газовые двигатели с искровым зажиганием с целью снижения их стоимости и повышения степени унифи-ка-ции.
2. Совершенствование рабочих процессов газового двигателя с целью повышения его экономичности, надежности (улучшения температурного режима), снижения токсичности. Здесь необходимы усилия, прежде всего двигателистов, но есть задачи и для материаловедов и для специалистов других профилей.
3. Разработка рациональных схем систем питания двигателя газовым топливом и создание соответствующих элементов этих систем.
4. Разработка микропроцессорных систем управления (МПСУ) работой для газовых двигателей различного назначения.
Здесь необходимы совместные усилия двига-телистов, электронщиков, специалистов в области управления.
Опыт разработок отечественных и зарубежных специалистов показывает, что газовые двигатели с ИЗ на базе дизелей обладают хорошими мощностными и экономическими характеристиками, а по интегральному показателю экологической безопасности существенно превосходят базовые двигатели. Это дает основание утверждать, что при решении комплексной проблемы снижения темпов потребления жидких нефтяных топлив и охраны окружающей среды следует существенно увеличивать долю ТС и СУ с газовыми двигателями (в т.ч. и на базе дизелей), а для этого, в числе других мер, следует совершенствовать технологии конвертации дизелей в газовые двигатели с ИЗ.
Литература
1. Ytaka Takada, Hiroshi Matsuda, Kahachi
Jioka. Development of an Urban Bus with a Turbocharger and Aftercooled Jean-Burn CNG Engine for low Emissions. NGV'94 International Conference. Toronto, Ontario, Canada.
2. Газобаллонные автомобили / Григорьев Е.Г.,
Колдубаев Б.Д., Ерохов В.И. и др. - М.: Машиностроение, 1989. - 216 с.
3. Луканин В.Н., Хачиян Ф.С., Кузнецов В.Е.,
Федоров В.М. Сравнительный анализ способов конвертации жидкотопливных
двигателей в двигатели, питаемые природным газом // Экология двигателей и автомобиля / Сб. научн. тр. - М: НАМИ, 2001. - С. 97 - 103.
4. Гайворонский А.И., Савельев Г.С. Перевод
дизеля КАМАЗ-740,13-260 на газовое топливо // Грузовик. -2006. - №6. -С. 16 - 20.
5. Бганцев В.Н., Левтеров А.М., Кайдалов
А.А., Канило П.М., Мараховский В.П. Г азовый двигатель на базе дизеля Д-21 // Авіаційно-космічна техніка і технологія / Зб. наук. пр. - Харків: ХАІ.
- 2002. - Вип. 30. - С. 24 - 27.
6. Абрамчук Ф.Н., Кабанов А.Н., Салдаев
С.В. Расчет процесса сгорания газового двигателя с высокоэнергетической системой зажигания // Автомобильный транспорт / Сб. науч. тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2006. - Вып. 18. - С. 116 - 119.
7. Захарчук В.І., Сітовський О.П., Козачук
І.С. Розрахунково-експериментальні дослідження газового двигуна, переобладнаного з дизеля
//Автомобильный транспорт / Сб. научн. тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2005. - Вип. 16.
- С. 276 - 278.
Рецензент: А.В. Бажинов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 23 апреля 2007 г.
