Компримированный природный газ в двухтопливных двигателях с искровым зажиганием Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Компримированный природный газ в двухтопливных двигателях с искровым зажиганием

П.Г. Теремякин, заместитель главного конструктора ООО «НПП «ИТЭЛМА», А.И. Латыпов, старший инженер-испытатель ООО «НПП «ИТЭЛМА»

Рассматриваются преимущества двигателей с искровым зажиганием, использующих в качестве топлива компримированный природный газ (КПГ). Приводятся показатели двухтопливных и специально ориентированных на применение метана двигателей. Обосновывается целесообразность применения двойного смешанного питания в двигателе с искровым зажиганием двухтопливного автомобиля.

Ключевые слова: токсичность выбросов, двухтопливный двигатель, газовое топливо, КПГ, двойное питание, двойное смешанное питание, каталитический нейтрализатор, удельные затраты на топливо.

Требования по снижению вредных автомобильных выбросов, включая выбросы диоксида углерода, заставили, прежде всего, европейских производителей автомобилей интенсивно развивать тему электромобилей. Сравнительно мягкие европейские климатические условия и развитая дорожная инфраструктура позволяют рассматривать эту тему в перспективе как магистральное направление. На первом этапе в условиях недостаточной плотности станций по зарядке аккумуляторов и малого запаса хода электромобилей на одной зарядке используются гибридные силовые установки - сочетание электротяги с двигателем внутреннего сгорания. Однако цена такого автомобиля существенно выше обычного.

Если учитывать российские особенности, включая климатические условия, необъятную территорию и современное состояние инфраструктуры, целесообразность копирования европейского направления, во всяком случае на ближайшую перспективу, вызывает сомнение [1]. Для России с ее гигантскими запасами природного газа выгоднее

с экономической точки зрения использовать газ в качестве моторного топлива, что обусловлено сравнительно низкими затратами на модернизацию существующего автомобильного парка и быстро получаемыми экономическим и экологическим эффектами. Это касается, прежде всего, легкого и среднего коммерческого автотранспорта. При этом газификацию автотранспорта целесообразно

развивать одновременно в двух направлениях:

• организация производства двухтопливных автомобилей (бензин/газ) на базе уже существующих бензиновых двигателей при параллельном интенсивном расширении сети АГЗК;

• разработка конструкции и подготовка массового производства автомобилей, максимально

Таблица 1

Показатели Двигатель

С искровым зажиганием Дизель

Топливо Аи-92 КПГ ДТ

Рабочий объем, л 2,69 2,69 2,24

Степень сжатия 9,1 9,1 19,0

Наличие охладителя наддувочного воздуха - Не используется Есть

Давление наддува, МПа - 0,06 0,12

Мощность нетто, кВт / п, мин-1 94,1/4600 114,0/4600 81,0/3800

Удельная мощность, кВт/л 35 42,4 36,2

Максимальный крутящий момент нетто, Н^м / п, мин-1 209,7/2500 270,0/3500 270,0/1800-2800

Минимальный удельный расход топлива, г/кВт^ч 278,5 218,0 225,0

Цена топлива,используемая в расчетах руб./л руб./м3 29 10,5 29

Минимальная цена 1 кВт^ч, руб. 11,06 3,18 7,86

ориентированных на использование электронных средств управления и современных баллонов из композитных материалов для хранения газа на борту.

Как показывает анализ результатов испытаний двигателей и автомобилей, использующих метан в качестве топлива, их удельные показатели существенно лучше, чем у автомобилей при использовании нефтяного топлива, в том числе и дизельного. При этом в сравнении с дизелем метановый двигатель не имеет выбросов твердых частиц (сажа) в составе отработавших газов (ОГ), и, следовательно, сажевые фильтры в системе выпуска не используются.

Показатели четырехцилиндровых рядных двигателей одного семейства, использующих бензин, дизтопливо и метан, представлены в табл. 1.

Удельные показатели метанового двигателя с турбонаддувом заметно лучше, чем даже дизеля с турбонаддувом и охладителем наддувочного воздуха, не говоря о бензиновом атмосферном двигателе. Стоимость владения метановым автомобилем существенно ниже, чем автомобилем с дизелем вследствие более низкой цены метанового двигателя и метана. При дефиците метановых заправок в России в переходный период вынужденным решением для коммерческого грузопассажирского автомобиля с двигателем с искровым зажиганием является его двухтопливность.

Рассмотрим преимущества, недостатки и перспективы использования двухтопливного двигателя на примере серийного коммерческого легкого грузовика «Газель» с двигателем УМЗ-421647 и микропроцессорной системой управления Микас 12 (табл. 2). При этом для снижения налоговой нагрузки на владельца

указанного транспортного средства максимальная мощность двигателя искусственно ограничена электронными средствами на уровне не более 73,6 кВт. Рабочий объем четырехцилиндрового рядного двигателя равен 2,89, степень сжатия - 9,2, мощность нетто при частоте вращения коленчатого вала 4000 мин-1 составляет 73,4 кВт, удельная мощность - 25,4 кВт/л.

Сравнительно низкая степень сжатия этого двухтопливного двигателя позволяет использовать относительно дешевый бензин (Аи-92), а его недостатком является увеличенный эксплуатационный расход КПГ из-за низкой эффективности рабочего процесса. Кроме того, современные требования безопасности, в том числе экологические, диктуют необходимость применения таких технических решений в двигателе и автомобиле, которые эффективны при работе двигателя и на бензине, и на метане.

Одним из основных устройств, ограничивающих выбросы ВВ с ОГ двигателя, является каталитический нейтрализатор. При работе двигателя на метане температура ОГ на 50...120 °С ниже, чем при работе на бензине. Кроме того, содержание в них паров воды примерно на 15.20 % больше, чем при использовании бензина, что дополнительно снижает эффективность окислительно-восстановительных реакций в каталитическом нейтрализаторе. Указанные обстоятельства в

рамках существующей конструкции двигателя и системы выпуска ОГ автомобиля при выполнении требований по ограничению выбросов при его работе на бензине не позволяют выполнить требования по уровню выбросов несгоревших углеводородов и оксидов азота при использовании метана. В табл. 3 представлены сравнительные результаты испытаний автомобиля «Газель» с многофункциональной системой управления Микас 12 при работе на метане с оптимальным регулированием систем питания и зажигания и на бензине.

При работе двигателя на метане выбросы несгоревших углеводородов и оксидов азота значительно превышают допустимые нормативы. Из этого можно сделать и другой вывод. После установки на серийные бензиновые автомобили «Газель» с двигателем УМЗ-42164 метановой подчиненной системы эти автомобили не будут соответствовать экологическим требованиям. Такое дооборудование нарушает требования законодательства (Правила № 115 ЕЭК ООН) [4].

Оптимизация каталитического покрытия нейтрализатора и регулировка системы управления двигателем позволили получить выбросы, соответствующие действующим нормам (табл. 4) со значительным запасом, примерно одинаковым для каждого из применяемых топлив. При использовании КПГ в качестве топлива

Таблица 2

Показатели Двигатель УМЗ-421647

Топливо Аи-92 КПГ

Максимальный крутящий момент нетто, Нчм /п, мин-1 226/2500 198/2500

Минимальный удельный расход топлива, г/кВт^ч 276 223

Цена топлива, используемая в расчетах руб./л руб./м3 29 10,5

Цена 1 кВт^ч, руб. 11,12 3,25

Таблица 3

Испытательный цикл Правил № 83 (05) Выбросы с ОГ, г/км

ЕЭК ООН СО СН N0,

На бензине 1,293 0,089 0,054

На КПГ 1,027 0,331 0,427

Нормы Евро-4 2,27 0,16 0,11

выбросы диоксида углерода почти на 22 % ниже по сравнению с питанием бензином. При движении двухтопливного автомобиля по испытательному циклу затраты на метан по сравнению с бензином почти в три раза ниже.

Существуют и некоторые негативные аспекты, связанные с эксплуатацией этого автомобиля.

• При работе двигателя на метане невозможно обеспечить тот же, что и при работе на бензине, максимальный крутящий момент (см. табл. 2), следовательно динамические характеристики, особенно груженого автомобиля, при работе на метане будут заметно хуже - снижение максимального крутящего момента по внешней скоростной характеристике достигает 10___15 %.

• Сравнительно низкий запас хода автомобиля на одной заправке метаном - 270 км (4 баллона по 50 л при давлении 20 МПа).

• Увеличенный износ клапанных пар в двигателе из-за отсутствия смазки рабочих поверхностей при питании двигателя газом.

• Некоторое удорожание каталитического нейтрализатора по сравнению с вариантом бензинового топлива.

Для минимизации влияния указанных аспектов на характеристики

автомобиля и дополнительного снижения стоимости его владения используются двойной или двойной смешанный способы питания двигателя, реализуемые системой управления. При двойном питании происходит автоматическое переключение вида топлива в зависимости от условий и режима работы двигателя, а при двойном смешанном питании в цикловой подаче топлива содержится как бензин, так и метан в заданной (оптимальная) пропорции [2].

В соответствии с требованиями безразрывного потока мощности двигателя необходимо в момент переключения питания с одного вида топлива на другой обеспечить монотонное изменение крутящего момента двигателя без градиентов, ухудшающих комфорт и заметных для водителя. Добиться этого в реальных условиях достаточно сложно из-за изменений условий работы и состояния двигателя, а также разных физико-химических свойств используемых топлив. Указанные обстоятельства требуют прецизионного управления крутящим моментом, что возможно лишь в случае применения единого контроллера, так как управление системами топливопо-дачи (бензин и метан), зажиганием и подачей воздуха в переходном

процессе должно быть взаимно согласованным.

Второе обстоятельство, которое усложняет выполнение требований не только комфортности, но и эколо-гичности, - это обеспечение постоянной готовности к работе системы дозирования, на которую осуществляется оперативный переход. Длительная работа двигателя, например, на КПГ, с отсутствием циркуляции бензина через форсунки в условиях тупиковой топливной рампы приводит к неконтролируемому изменению температуры бензина на выходе из форсунок. В результате в момент начала дозирования топлива неизбежно отклонение состава смеси от заданного со всеми вытекающими последствиями для величины крутящего момента и выбросов ВВ. Кроме того, подача перегретого топлива отрицательно сказывается на состоянии распылителя бензиновой форсунки и может привести к закоксовыванию запорного элемента.

Для управления мощностью во всем диапазоне работы двигателя в условиях перечисленных конструктивных и эксплуатационных ограничений целесообразнее использовать двойное смешанное питание с одновременным управлением подачей обоих топлив в заданной пропорции в текущем рабочем цикле двигателя. В этом случае существуют технические ограничения, связанные с дозированием топлива на холостом ходу.

При разделении цикловой подачи на две части одна из них может быть ниже граничной минимальной

Таблица 4

Испытательный цикл Правил Выбросы с ОГ, г/км Удельные затраты, Запас хода на полной Полная заправка

№ 83 (05) ЕЭК ООН СО СН ю, С02 руб./км заправке, км

На бензине 0,379 0,062 0,032 348 4,37 398 60 л

На КПГ 0,349 0,051 0,031 272 1,66 270 47 м3

Нормы Евро-4 2,27 0,16 0,11 - - - -

н 1

1-^ а £ Превалирует \ Ч бензин

1 'I V 1 \

1 3 ¡йгУэЗ \ | 1

а Ж Превапирует метан | | 111 1111 | Хлережодд

Частоте вращения

Рис. 1. Базовое распределение зон использования метана и бензина на режимном поле работы

двухтопливного двигателя при двойном смешанном питании

подачи, осуществляемой форсункой. Это приведет к нестабильности дозирования и отклонению состава смеси от заданного, что увеличит вредные выбросы и усилит неравномерность вращения коленчатого вала. Выходом из этой ситуации может быть чередование использования каждого вида топлива в последовательных циклах работы двигателя при его функционировании в подобных условиях.

Критерий выбора пропорции составных частей в цикловой подаче топлива зависит от характеристик автомобиля (экологичность, экономичность, мощность), а также от действующих текущих ограничений и особенностей функционирования двигателя [3]. На рис. 1 представлены рабочие области двухтопливного двигателя в координатах крутящий момент - частота вращения, где используются разные соотношения топлив в цикловой подаче с учетом традиционных принципов регулирования:

• в области частичных нагрузок, где используется лямбда-регулирование, в цикловой подаче превалирует метан;

• в области максимального крутящего момента с мощностны-ми регулировками систем питания

и зажигания в цикловой подаче превалирует бензин;

• в области холостого хода и сопрягаемых с ней зонах частичных нагрузок используется питание одним или другим топливом в зависимости от текущих ограничений (например, текущего запаса каждого топлива на борту автомобиля).

Необходимо отметить, что в области максимального крутящего момента и сопрягаемых с ней зонах с относительно большим наполнением цилиндров двигателя воздухом, особенно при малых частотах вращения коленчатого вала, доля метана в цикловой подаче топлива может быть увеличена для повышения

антидетонационных свойств топливной смеси (рис. 2). Анализ кривых показывает, что существует оптимальная доля метана в цикловой подаче (40.20 %), при которой увеличивается крутящий момент двигателя на 1.10 % по сравнению с двигателем, работающим только на бензине, и до 8,5 % по сравнению с работающим только на метане.

Дополнительным резервом в снижении эксплуатационных затрат на топливо, потребляемого двухтопливным автомобилем в условиях ограниченного числа газовых заправочных станций, является использование запасов топлив на борту автомобиля с учетом удельной цены каждого из них. Под удельной ценой понимаются затраты на топливо на 1 км пробега автомобиля.

Рассмотрим варианты различного питания на примере движения автомобиля «Газель» с двигателем УМЗ-421647 по ездовому испытательному циклу Правил № 83 (05) ЕЭК ООН при полной заправке (60 л бензина и 47 м3 метана). По результатам испытаний этого автомобиля при раздельном питании его пробег на одной полной заправке составил 668 км (табл. 4). При этом общие затраты на топливо составили: 1740 + 493,5 = 2233,5 руб.

Рис. 2. Влияние соотношения метана и бензина в цикловой подаче топлива на крутящий момент

двигателя рабочим объемом 2,7 л со степенью сжатия 11 при разных частотах вращения коленчатого вала: 1 - 1500 мин1; 2 - 2500 мин1; 3 - 3500 мин1

Таблица 5

Испытательный цикл Правил № 83 (05) ЕЭК ООН Удельные затраты, руб./км Запас хода на полной заправке, км Полная заправка

Раздельное питание 3,27 668 60 л и 47 м3

Двойное питание 3,12 701 60 л и 47 м3

Задачу оптимизации можно сформулировать следующим образом: как использовать оба топлива при движении автомобиля в указанных условиях, чтобы за эти же деньги проехать больше километров?

В основе предлагаемой оптимизации лежит принцип использования более дорого топлива (бензин) лишь в тех режимных областях работы двигателя, в которых показатель удельной цены стремится к минимуму, то есть там, где бензин сжигается наиболее эффективно. Прежде всего, это области работы двигателя с небольшим разрежением во впускной трубе при нормальном составе смеси. Указанные условия использования каждого топлива были учтены при расчете расхода топлива автомобилем «Газель»,

двигающемся по циклу. Результаты расчета с использованием реальных испытаний автомобиля представлены в табл. 5. Как следует из их сравнения, при двойном питании на одной полной заправке автомобиля топливом можно проехать на 33 км больше, что составляет около 5%.

Таким образом, использование метана в качестве моторного топлива в сочетании с модернизацией

Литература

двигателя и его системы управления позволяют получить потребительские характеристики автомобиля, способного конкурировать с другими силовыми установками (дизель, гибрид, электромобиль).

Существующий новый уровень развития систем управления двухтопливными двигателями позволяет применить оптимальные стратегии управления рабочим процессом двухтопливного двигателя в зависимости от режима его работы и условий эксплуатации, обеспечив тем самым дополнительное улучшение эксплуатационных показателей газобаллонного автомобиля.

1. Сумленный С.. Газовая мобильность // Эксперт. - 2011. - № 24. - С. 44-45.

2. Теремякин П.Г., Латыпов А.И., Бутнев А.Б. Особенности конструкции газобаллонного автомобиля для серийного заводского производства // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 2 (14). - С. 63-69.

3. Гирявец А.К. Теория управления автомобильным бензиновым двигателем. - М.: Стройиздат, 1997. - 173 с.

4. Технический регламент о безопасности колесных транспортных средств. Утвержден постановлением Правительства Российской Федерации от 10 сентября 2009 г. № 720.

Требования по подготовке статей к опубликованию в журнале

В связи с тем, что Международный научно-технический журнал Национальной газомоторной ассоциации «Транспорт на альтернативном топливе» включен в Перечень ВАКа, просьба ко всем авторам строго выполнять следующие требования при подготовке статей к публикации:

1. Все научно-технические статьи должны иметь на русском и английском языках следующие составляющие:

заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, ученая степень (при наличии), контакты (e-mail, телефоны), аннотации, ключевые слова.

2. Все английские тексты следует набирать только строчными буквами, сохраняя начальные прописные буквы в именах собственных.

3. Авторы остальных публикаций (информационных, рекламных и т.д.) представляют на русском и английском языках: заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, адрес и контакты (e-mail, телефоны).

Материалы статей должны быть представлены по электронной почте в программе WinWord. Объем статьи - не более 14 400 знаков с пробелами.

Представленный текстовый материал с иллюстрациями и таблицами должен иметь сквозную нумерацию. Графический материал должен быть выполнен в формате, обеспечивающем ясность всех деталей рисунков. Формулы и символы должны быть четкими и понятными. Все обозначения в формулах необходимо расшифровать. Нумеруются только те формулы, на которые сделаны ссылки в тексте. Обозначения физических величин и единиц измерений необходимо давать в Международной системе единиц (СИ). Обязательно соблюдение действующих

ГОСТов. Текст, таблицы и графические рисунки должны быть выполнены в программе Word в формате doc, rtf. Фотографии (не менее 300 dpi, CMYK) - в формате jpg, jpeg, tiff, pdf. Отдельно необходимо представить список подрисуночных подписей. Не следует форматировать текст самостоятельно.

При пересылке материалов по е-mail следует сопровождать их пояснительной запиской (от кого, перечень файлов и т.д.). Объемные файлы должны быть заархивированы. При подготовке статей к печати необходимо руководствоваться документами, определяющими правила передачи информации через СМИ. Авторский коллектив должен указать ответственное лицо, с которым редакция будет вести переговоры в процессе подготовки статьи к изданию. В список литературы включаются источники, на которые есть ссылки в статье. Ссылаться можно только на опубликованные работы. Список литературы составляется в порядке употребления. В нем приводятся следующие сведения: фамилия и инициалы авторов, название работы; для журнала - название, год издания, номер, страницы, на которых размещена статья; для книг - место и год издания, издательство, общее число страниц. Редакция оставляет за собой право редакторской правки и не несет ответственности за достоверность публикации. Все внесенные изменения и дополнения в представленную к изданию статью согласовываются с автором или представителем авторского коллектива.

Редакция оставляет за собой право размещать опубликованные статьи на сайтах журнала и Национальной газомоторной ассоциации. Редакция не передает и не продает материалы для публикации в других печатных и электронных изданиях без согласования с автором (представителем авторского коллектива).