Основные факторы, влияющие на стоимость владения газобаллонным автомобилем с подчиненной системой управления Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

(Щ

Транспорт на СУГ

Основные факторы, влияющие на стоимость владения газобаллонным автомобилем с подчиненной системой управления

П.Г. Теремякин,

руководитель проектов ООО «НПП ЭЛКАР»

Одним из самых важных стимулов использования сжиженного углеводородного газа (СУГ) в качестве моторного топлива является его низкая цена в сравнении с ценой на бензин. Однако эффект от низкой цены на газ при эксплуатации автомобиля достигается лишь в случае корректного применения газобаллонного оборудования. В статье рассматриваются некоторые факторы, влияющие на стоимость владения газобаллонным автомобилем «Газель», оснащенным новой подчиненной системой управления на базе контроллера Микрайдер (MikrideR™). Приводятся результаты испытаний двигателя и автомобиля при работе на бензине и газовом топливе.

Ключевые слова: сжиженный углеводородный газ, ресурс, токсичность выбросов, состав смеси, угол опережения зажигания, установочный комплект газобаллонного оборудования (ГБО).

The main factors affects on the operation cost of LPG car equipped with Slave-Control-System

P.G. Teremyakin

One of the most important motivating factor of using LPG as an automotive fuel is its lower price compare to petrol fuel. However the cost-efficiency of using LPG can be obtained only in case of proper use of LPG equipment. The article reviews some aspects having influence on operation cost of LPG car «Gazel» equipped with the new Mikrider™ Slave-System. The results of engine and car testing at petrol and LPG fuel using are appended.

Keywords: Liquefied Petroleum Gas (LPG), resourse, exhaust emission, Air/ Fuel ratio, Ignition timing, LPG set kit.

Применение СУГ в качестве моторного топлива на автомобильном транспорте обусловлено, прежде всего, его технологическими преимуществами перед другими альтернативными топливами и

низкои ценой в сравнении с ценой на бензин, даже несмотря на затраты по оборудованию автомобиля дополнительной системой питания газом. Все остальные факторы, влияющие на конечную стоимость

владения двухтопливным транспортным средством, имеют для владельца второстепенное значение. Однако это справедливо лишь при корректном выборе системы и ее грамотной установке и наладке. В противном случае могут возникнуть дополнительные затраты [1] вследствие следующих причин:

■ увеличенного эксплуатационного расхода газа и неустойчивой работы непрогретого двигателя на бензине;

■ снижения ресурса деталей (седло-клапан газораспределительного механизма, катализатор и т.д.) с необходимостью последующего ремонта деталей двигателя;

■ технического обслуживания и ремонта на специализированных станциях технического обслуживания (СТО), особенно из-за использования узлов ГБО низкого качества или с характеристиками, не соответствующими данному двигателю автомобиля;

■ более серьезного урона при ДТП с последствиями утечки газа (увеличенный риск возгорания);

■ оформления разрешительных документов в ГИБДД и необходимости переосвидетельствования баллонов;

■ более затратных и опасных последствий заправки некачественным сжиженным газом (вплоть до необходимости опорожнения баллонов и ремонта/замены элементов системы подачи газа);

■ особых требований хранения автомобиля с ГБО;

■ необходимости систематического периодического контроля герметичности газовых соединений при эксплуатации автомобиля, риска внезапного автоматического переключения с газа на бензин при неисправности системы подачи газа в сложной дорожной ситуации (при обгоне), в условиях малого запаса бензина в баке и удаленности от ближайшей АЗС и т.п.

НИ ЙЯЯВВР Л Ф® вя# J^tefet Щ фЩ

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г.

Последнюю группу факторов, определяющих дополнительные затраты, трудно оценить в денежном эквиваленте.

Рассмотрим наиболее очевидные из них, существенно влияющие на конечную стоимость владения газобаллонным автомобилем (ГБА), на примере ГБА «Газель» с двигателем УМЗ-4216 экологического класса 3.

Увеличенный расход сжиженного газа может возникнуть при некорректной установке ГБО, его неверной настройке или вследствие неграмотного вмешательства в работу всей системы управления двигателем. При движении прогретого автомобиля по европейскому ездовому испытательному циклу Правил 83-05 ЕЭК ООН (городской и загородный) указанный автомобиль потребляет около 15 л бензина Аи-92 на 100 км (затраты при цене 24 руб. за 1 л бензина - 3,60 руб./км). При правильной установке ГБО без внесения изменений в систему управления зажиганием расход сжиженного газа в тех же условиях цикла составляет около 18 л на 100 км (затраты при цене 15,60 руб. за 1 л сжиженного газа - 2,81 руб./км). С учетом сезонности и расхода бензина на холодный пуск и прогрев двигателя средний расход топлива на 100 км пробега составит около 18 л бензина или 21 л газа. Затраты составят соответственно 4,32 руб./км и 3,28 руб./км. Если же газовая система установлена или настроена неверно, то расход может достигать 28 л газа (4,37 руб./км), в этом случае затраты на газ уже превышают затраты на бензин.

В случае оптимизации характеристик зажигания газовоздушной смеси расход газа автомобилем «Газель» экологического класса 3 (с Л-регулированием и каталитическим нейтрализатором) снижается примерно на 3 % (затраты на газ будут уже 3,18 руб./км) при незначительном увеличении выбросов вредных веществ с ОГ. При этом

м м

—1-1-"1-1--Г--]-т-\

1000 2000 2500 ЗЙЭ0 3500 4000 п. мин1

Рис. 1. Внешние скоростные характеристики двигателя УМЗ-4216 при его работе на бензине (1), сжиженном газе и с «бензиновыми» регулировками УОЗ (2), сжиженном газе и оптимальных УОЗ (3)

несколько улучшаются динамические и скоростные показатели автомобиля (рис. 1). В случае оптимизации зажигания крутящий момент двигателя (кривая 3) увеличивается на 1...5 % в сравнении с питанием газом с «бензиновыми» оптимальными углами опережения зажигания (кривая 2), приближаясь к значениям при питании бензином на малой и средней частоте вращения коленчатого вала. Кроме того, снижается риск перегрева и выхода из строя катализатора.

Средняя цена дооборудования автомобиля «Газель» системой питания сжиженным газом составляет примерно 24 тыс. руб. Обычно предполагается, что она окупается в течение первого года эксплуатации автомобиля: при среднем пробеге в 40 тыс. км/год амортизация этих затрат с учетом гарантийного обслуживания с заменой газовых фильтров (4 тыс. руб.) составит 0,7 руб./км.

Таким образом, в первый год эксплуатации после оборудования автомобиля системой подачи газа при затратах на газовое топливо 3,98 руб./км экономия составит: 4,32 - (3,28+0,7) = 0,34 руб./км. В последующие два года с учетом стоимости расходных фильтров и технического обслуживания системы подачи газа (около 12 тыс. руб./год) экономия составит: 4,32 - (3,28+0,3) = 0,74 руб./км. Напомним, что это

- оптимистический прогноз в случае грамотной установки ГБО на автомобиль и отсутствия проблем как с самим ГБО, так и с последствиями его применения.

Возможные негативные проблемы, которые возникают при применении СУГ, - интенсивный износ или даже прогар клапанов двигателя с последующей необходимостью ремонта головки блока цилиндров, выход из строя дорогостоящего каталитического нейтрализатора. В этом случае убытки с учетом вынужденного простоя автомобиля могут исчисляться не одним десятком тысяч рублей. Именно по этой причине перед установкой ГБО необходимо иметь уверенность, что двигатель, на который устанавливается газовое оборудование, не имеет конструктивных «газовых противопоказаний», а регулировки систем питания и зажигания при работе на газе оптимальны. Подтвердить это можно лишь объективными результатами ресурсных испытаний двигателя в условиях конкретных регулировок систем питания и зажигания, что и должен сделать производитель автомобиля (двигателя), или производитель (установщик) ГБО. Производители ГБО, заботящиеся о своей репутации на рынке, доводят информацию до дилеров и клиентов о марках автомобилей с наблюдающимися повреждениями клапанов, нейтрализаторов

m

'"oouw.«^

и т.п. в результате эксплуатации на газе и предупреждают о возникающих проблемах со страховыми компаниями.

В настоящий момент автозаводы ГАЗ и УАЗ осуществляют сборку автомобилей с конкретным ГБО мелкими партиями на своих конвейерах, обеспечивая их гарантийную поддержку. Существуют отдельные установщики ГБО, которые по согласованию с производителем двигателя берут на себя решение проблем в случае его повреждения по причине применения комплекта ГБО, но это скорее рекламный ход. К тому же убедить установщика, что причиной повреждения двигателя является его эксплуатация именно на газе, достаточно сложно. В подавляющем большинстве случаев после установки ГБО на новый автомобиль гарантия на него автоматически снимается. И этот аспект нельзя не учитывать при принятии решения об установке ГБО на новый автомобиль, к тому же, если он обладает сравнительно низкой эксплуатационной надежностью.

Причинами выбора конкретного установочного комплекта ГБО в рамках отведенного бюджета чаще всего являются воздействие рекламы (часто агрессивной) или чье-либо авторитетное мнение. Реже - личный опыт, традиция использования однажды выбранного бренда или глубокий анализ отзывов по результатам эксплуатации. В любом случае пользователь пытается найти компромисс между низкой ценой комплекта и его надежностью. При этом отправной точкой чаще всего является цена самого автомобиля к моменту установки на него ГБО.

Рассмотрим ценовые предложения на комплект ГБО, отвечающий ныне принятым в Европе и РФ требованиям (Правилам № 115 ЕЭК ООН), для установки на автомобиль «Газель», находящийся в эксплуатации. Весь диапазон цен - от 16 тыс. до 36 тыс. руб. - можно условно разделить

на три интервала: от 16 тыс. до 22 тыс. руб. (системы от Agis, Tamona, Lovato, Elpigas и др.), от 20 тыс. до 28 тыс. руб. (BRC, OMVL, EMER и др.) и от 26 тыс. до 36 тыс. руб. (Prins, Landi Renzo и др.). Варианты с ценой ниже 12 тыс. руб. вызывают подозрения в низком качестве, его несоответствия действующему законодательству или «серой» схеме ввоза комплекта в РФ и далее не рассматриваются.

Продавцы (установщики) дешевых (16-22 тыс. руб.) комплектов предлагают оборудование, которое за эти деньги худо-бедно функционирует год, а затем, в большинстве случаев, начинается перманентный ремонт ГБО и автомобиля, бесконечные мытарства пользователя по СТО или походы к народным умельцам. К тому же гарантия на такой комплект предоставляется чаще всего на год эксплуатации. Отказ по причине использования некачественного газа, как гарантийный случай, установщиком не рассматривается. И все это на фоне неэкономичного расходования газа транспортным средством и постоянными проблемами, возникающими при эксплуатации автомобиля. В результате сэкономленные средства при покупке комплекта оборачиваются многократной переплатой при эксплуатации и ремонте. Однако покупателя привлекает простота и ремонтопригодность комплекта в гаражных условиях, например, газовых дозаторов, подобно привлекательности карбюраторной системы дозирования в начальный период развития систем впрыска: как и карбюратор простые газовые форсунки можно разобрать и продуть-промыть в чистом поле.

Продавцы (установщики) дорогих комплектов, как правило, предлагают качественные изделия голландских и итальянских фирм, но фактически тот же сервис. Утешает то, что частота общения с сервисом потенциально ниже, чем в первом случае. Однако, если не повезет, то ремонт

этого оборудования может вылиться в копеечку, а тратить средства на «Газель», как на дорогую иномарку, поднимется рука не у каждого.

Переходим к «золотой середине»: комплекту по цене от 20 тыс. до 28 тыс. руб. В этом ценовом диапазоне находятся системы известных, в основном итальянских, производителей ГБО, давно обосновавшихся на нашем рынке и положительно себя зарекомендовавших в эксплуатации, с достаточно развитой торговой сетью запасными частями. Однако большинство этих комплектов не имеет функции коррекции угла опережения зажигания. Для ее реализации предлагается дополнительное устройство (так называемый вариатор) с проводами и разъемами для подключения, что сделает дороже весь комплект дополнительно на 600-3500 руб., снизив надежность всей системы. Причем его необходимо подключить в проводку, а перед этим ввести «нужную» характеристику коррекции, что требует обращения к специалистам и дополнительных средств. Но и в этом случае про необходимую коррекцию могут знать только те, кто может ее получить из результатов испытаний двигателя данной модели при его питании газом. В основном это могут себе позволить лишь крупные производители ГБО, обладающие соответствующей испытательной базой и финансовыми возможностями. Что уж говорить о нюансах управления современным двигателем, связанных со спецификой конкретной модели, о которых знают лишь отдельные заводские специалисты, занимающиеся его исследованиями.

Существует и другой способ «оптимизации»: внесение изменений в программное обеспечение базовой системы, несанкционированное производителем автомобилей, направленное на максимально возможную экономию топлива в ущерб экологии и надежности. Такие услуги

I ..ifffflrmnTr,.-. Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г.

предлагают многочисленные «тюнеры». Однако их действия, в большинстве случаев, находятся в противоречии с интересами производителя и общества в целом - автомобиль после такого вмешательства перестает соответствовать экологическим требованиям.

Подводя итог, можно констатировать, что для реальной экономии от использования газа в качестве моторного топлива для автомобиля «Газель» (комплектация Евро-3,4) с двигателем с искровым зажиганием, на нем должен применяться комплект ГБО, который должен обладать следующими качествами:

■ стоить не дороже 20-24 тыс. руб., включая установку на автомобиль, при существующей цене на сжиженный газ;

■ иметь все функции для оптимального, надежного управления рабочим процессом двигателя при его работе на газе;

■ быть изначально откалибро-ванным на заводском уровне, под данную модель двигателя и автомобиля;

■ легко диагностироваться на станциях технического обслуживания имеющимся диагностическим оборудованием;

■ отвечать требованиям действующего законодательства.

Такой комплект был предложен рынку российской фирмой «НПП ЭЛКАР», известной на протяжении почти 20 лет своими электронными

Рис. 2. Контроллер Микрайдер подчиненной системы управления двигателем с искровым зажиганием

системами для серийных бензиновых двигателей автомобилей ВАЗ, ГАЗ, УАЗ, ЗАЗ. Комплект сформирован на базе разработанного контроллера газовой подчиненной системы, который получил название Микрайдер (М1к|^еР™) (рис. 2). Его появлению предшествовал опыт, накопленный специалистами ООО «НПП ЭЛКАР» в ходе работ по серийному базовому изделию - двухтопливному блоку управления Микас 12 для поставки на заводские автомобильные сборочные конвейеры [2]. Однако планируемый объем потребления таких блоков заводами в ближайшей перспективе сравнительно небольшой, а их подготовка к производству и адаптация очень затратны. В этой ситуации производство не может быть рентабельным. Тем не менее, было найдено приемлемое решение: освоить выпуск похожего блока для подчиненной системы управления. Микрайдер имеет тот же корпус, разъем и большую часть номенклатуры электронных компонентов, что и Микас 12, поэтому освоение его выпуска поможет снизить издержки производства, а значит и цену одного и другого изделия.

С учетом того, что контроллер является составной частью установочного комплекта ГБО, был проведен всесторонний анализ основных газовых узлов наиболее надежных производителей для последующего использования в установочном комплекте с блоком Микрайдер. Изучались, прежде всего, компоненты, влияющие на технические показатели двигателя и их стабильность в эксплуатации при работе на газе: газовый редуктор-испаритель, газовая рампа, газовые форсунки, датчики давления и температуры газа и т.п. При этом проводились прямые консультации с производителями изделий и собственные исследования.

Комплект ориентирован, прежде всего, на владельцев бюджетных автомобилей ВАЗ, ГАЗ, УАЗ, а сам контроллер запрограммирован на функционирование в составе определенной марки автомобиля (рис. 3). В этом случае при установке комплекта минимизируется сам процесс «свободного творчества» установщика, сокращаются трудозатраты при сборке и настройке, гарантируются заявленные показатели автомобиля при эксплуатации.

т

Транспорт на СУГ

Отличительная особенность контроллера Микрайдер заключается в оригинальных аппаратно-программных решениях, благодаря которым он отвечает современным требованиям бортовой диагностики при оптимальном управлении рабочим процессом двигателя, включая момент зажигания газовоздушной смеси. Кроме этого, контроллер обеспечивает управление штатным указателем уровня топлива комбинации приборов, на который выводится информация о запасе бензина в баке или газа в баллоне, результаты информационного обмена с базовым блоком или с панелью приборов автомобиля по САЫ-шине и др.

Программное обеспечение контроллера разработано на базе собственных исследований работы двигателей на газовом топливе и с применением современных методов моделирования. Для оценки адекватности моделей проводились всесторонние испытания как собственно контроллера, так и всей системы в составе двигателя и автомобиля с использованием современной экспериментальной базы: стендов с беговыми барабанами и газоаналитическим комплексом, холодильной камеры для испытаний автомобилей и двигателей, моторных стендов с набором измерительной аппаратуры, стендов по испытаниям топливной аппаратуры и т.п. Для регистрации параметров в ходе эксплуатационных испытаний автомобиля применялся разработанный в «НПП ЭЛКАР» универсальный аппаратно-программный модуль

сбора данных (рис. 4). Его особенность заключается в возможности записывать и хранить в своей памяти множество параметров управления в ходе продолжительной эксплуатации автомобиля, которые затем можно анализировать с помощью соответствующих компьютерных программ, что позволяет оперативно определять условия и причины неудовлетворительной работы двигателя. Это - прообраз будущих бортовых систем хранения данных, аналогичных самолетным самописцам.

Еще одна особенность контроллера - это возможность диагностики с помощью широко известного диагностического сканера АСКАН с соответствующим программным модулем (рис. 5). Сканер подключается к штатной автомобильной диагностической колодке. Это позволяет одним прибором диагностировать как базовый блок, так и блок подчиненной системы управления, что снижает затраты на обслуживание, так как для этих целей не требуются дополнительные аппаратные средства и программное обеспечение для персонального компьютера, традиционно используемые установщиками ГБО.

Особое внимание в комплекте уделяется качеству электрических соединений элементов. Широко известно, что в большинстве бюджетных установочных комплектов в угоду универсальности предлагается жгут проводов - полуфабрикат, предусматривающий подключение к автомобильной проводке на скрутках, при этом целостность штатного бензинового жгута нарушается. В состав

комплекта с контроллером Микрай-дер входит законченный жгут проводов с электрическими соединителями, ориентированный на конкретную модель автомобиля с качественной заводской заделкой проводников и подробной инструкцией по подключению. Все это обеспечивает надежность электрических соединений элементов системы, снижает вероятность отказов в эксплуатации.

Если говорить об особенности комплекта на базе контроллера Ми-крайдер, то в нем отражен идеологический подход разработчика: это законченное готовое серийное изделие, не допускающее свободных трактовок по монтажу и настройке для объекта повышенной опасности, каким является современный автомобиль. Именно такой подход к переоборудованию автомобиля должен превалировать на рынке установочных комплектов ГБО в будущем.

Таким образом, с целью обеспечения реальной максимальной выгоды для владельца автомобиля и всего общества от применения газа в качестве моторного топлива необходимо осуществлять качественное оборудование автомобилей газовой системой на промышленном, заводском уровне. Лишь в этом случае можно добиться значительного снижения итоговой стоимости владения газобаллонным автомобилем, что в свою очередь будет стимулировать применение газа на транспорте.

Литература

1. Шишков В.А. Причины повышенного расхода газового топлива в процессе эксплуатации автомобиля с электронной системой управления двигателем с искровым зажиганием // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010 г. - № 2 (14). - С. 14-19.

2. Теремякин П.Г., Латыпов А.И., Бутнев А.Б. Особенности конструкции газобаллонного автомобиля для серийного заводского производства // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010 г. - № 2 (14). - С. 63-70.