Самый первый двигатель внутреннего сгорания изобрёл инженер-бельгиец Ж.Ж. Этьен Ленуар в середине 19 века, это был двухтактный электрический двигатель с искровым зажиганием, топливом для этого устройства был каменноугольный газ, но ресурс работы такого изобретения был очень мал, так как изобретатель не учёл необходимость в смазке и охлаждения двигателя. Через несколько лет Ленуар преобразовал свой двигатель с учётом потребностей, и в качестве топлива стал использовать керосин. И всё равно устройство было безупречным, хотя некоторые трёхколёсные автомобили ездили на таком двигателе.

К концу 19 века произошли большие изменения в создании двигателя внутреннего сгорания. Немецкий изобретатель Николаус Аугуст Отто был первым изобретателем, открывший миру технически сложно устройство, преобразовывающее энергию топлива в механическую энергию, он создал газовый двигатель внутреннего сгорания. Суть работы газового двигателя была в том, что горючая смесь сначала подвергалась сильному сжатию в верхней точке положения поршня.

Первый двигатель изобретателя был довольно низкооборотным и имел достаточно большую массу, в следствии чего при увеличении оборотов вала до 180 об/мин появлялись проблемы в его работе, и быстрее изнашивался золотник. Для хранения газа использовался огромная ёмкость, что делало невозможным установить его на автомобиль, зато он нашёл своё огромное применение на различных фабриках и заводах

Изобретателю потребовалось 15 лет, чтобы создать экономичный двигатель, который в свою очередь получил название четырёхтактного двигателя, так как рабочий цикл протекал в нём за четыре хода поршня.

Что же такое газовый двигатель внутреннего сгорания?

Общее определение двигателя внутреннего сгорания таково, что это такой тип двигателя, где химическая энергия жидкого или газообразного углеводородного топлива, которое сгорает в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Главным недостатком двигателя внутреннего сгорания является производимая им высокая мощность в исключительно узком диапазоне оборотов, поэтому главными элементами двигателя становится стартер и трансмиссия.

Нынешние двигатели подобного типа работают на природном газе, сниженном пропан-бутане и других. Большим плюсом таких двигателей является то, что в них меньше изнашиваются основные узлы и детали, что происходит из-за создания качественной горючей смеси и её результативного сжигания, а также преимущество ещё и в том, что в выхлопах практически не обнаруживается вредных примесей.

Коэффициент полезного действия (КПД) двигателей на таком топливе приближается к 42 процентам.

Что такое система питания газовых двигателей?

Системой питания газовых двигателей внутреннего сгорания, называют систему, устанавливающуюся на автомобили и позволяющую использовать вместо бензина сниженный газ. Состоит такая система из следующих элементов:

Суть работы такой системы почти идентично бензиновой, то есть в начале сжиженное топливо поступает в клапан-фильтр по магистрали, где проходит начальную чистку от различных смол, затем очищенное топливо направляется в редуктор-испаритель, где давление его понижается до одной атмосферы и после этого через дозатор топливо уже подаётся в смеситель.

Что касается инжекторных двигателей, то в подобном оборудование бензиновый клапан не применяется, вместо него устанавливают эмулятор форсунок

Плюсы и минусы газового двигателя:

Как ни странно, но такое оборудование не идеальное, оно имеет и достоинства и недостатки. Достоинства такого оборудования в том, что вы можете без особых трудностей создать газовый двигатель самостоятельно, а именно, смонтировать установку на автомобиль своими силами, также не маловажным плюсом является низкая стоимость такого топлива, а также высокое октановое число. Помимо этого, как было сказано выше, такое топливо не производит вредных выбросов. Двигатель на таком топливе работает более качественно, а также значительно увеличивается ресурс двигателя.

Что касается недостатков, то их много меньше, но они существенны, например, снижается динамика разгона автомобиля, ощутимо возрастает нагрузка на клапаны газораспределительного механизма. Помимо этого, есть некоторые сложности с использование такого оборудования в зимнее время года, а также оно занимает довольно много места. В общем ставить или не ставить газовое оборудование решать только вам.

Как установить газовое оборудование самостоятельно?

Существует известные нам в наше время пара схем подключения оборудования - классическая, в которой газ подаётся прямо в инжектор или карбюратор и последовательная - при которой топливо поступает прямо в форсунки, которые установленны параллельно с бензиновыми.

Проще всего использовать классическую схему установки оборудования, она менее затратная и не сложная в плане работы, но имеет один достаточно весомый недостаток - при переключении режимов начинает образовываться смесь довольно низкого качества, в следствии чего двигатель быстрее изнашивается. Поэтому, пусть последовательная система затратнее, но качество подачи газа у неё намного лучше.

Обычно газобаллонное оборудование, которое можно самостоятельно встроить в уже существующую систему автомобиля, можно приобрести на рынке, и к каждой модели двигателя подбирается соответствующая модель газобаллонного оборудования. Чаще всего заправочный баллон с комплектующими крепится в месте для запасного колеса, но может крепится и в нише багажника.

После того как вы закрепили баллон присоединяем выносное заправочное устройство, отверстие которого должно выходить на внешнюю сторону кузова, после этого, на двигателе устанавливаются клапаны против утечки газа, для перекрывания бензина при подаче газа. Обычно переключатель с бензина на газ монтируется в салоне автомобиля.

Но, если вы не уверены в своих знаниях по устройству мотора и способностях, то лучше всего обратиться к специалистам и не рисковать присоединять ГБО самостоятельно. С газом не шутят!

ДВИГАТЕЛИ ГАЗОВЫЕ , двигатели внутреннего сгорания, работающие на газообразном топливе (естественном или генераторном), которое, перемешиваясь с воздухом до поступления в рабочий цилиндр, образует горючую смесь.

Различая эти двигатели по роду потребляемого топлива, необходимо отметить громадное значение двигателей газовых, работающих на колошниковых газах доменного процесса, т. к., несмотря на сравнительную калориметрическую бедность этих газов, общее количество их тепловой энергии очень велико: в одной только Германии, по современным данным, выплавляется в год около 12 млн. т. чугуна, а так как потребление кокса составляет в среднем 1 тонну на каждую тонну чугуна, то выход колошникового газа в Германии достигает 45 млрд. м 3 в год. Двигатели газовые, работающие на колошниковых газах, не являются, конечно, исключительными потребителями этой огромной энергии, т. к. наряду с ними весьма большое распространение имеют и паросиловые установки, но в настоящее время двигатели газовые несомненно количественно преобладают, несмотря на весьма высокие первоначальные затраты.

Современная паровая турбина, благодаря очень высокой утилизации тепла, является серьезным конкурентом двигателей газовых, так как основное преимущество последних - высокий КПД - немногим превосходит КПД современной турбины. Выбор того или иного типа силового хозяйства м. б. решен лишь на основании реальных местных факторов. Своим развитием двигатели газовые обязаны тому, что для их работы могут быть использованы в качестве топлива различные сорта дешевых газов.

Двигатели газовые начинают появляться в России немногим позже, чем за границей. Пионером их применения явилась металлургическая промышленность юга России (Днепровский завод - 1902 г. и Петровский завод) и Урала (Надеждинский завод - 1904 г. и Кыштымский завод); металлургическая же промышленность и осталась главным потребителем этих машин. Подавляющее большинство двигателей газовых работает на колошниковом газе и имеет своим назначением обслуживание главным образом воздуходувок и генераторов переменного и постоянного тока. Общая мощность газовых двигателей, установленных до сих пор в СССР, (по данным проф. Д.Д. Филиппова) выражается величиной в 100000 НР.

Конструкция двигателей газовых за 30 лет ее развития нашла свои установившиеся формы, по крайней мере у старейших фирм. Так, MAN, Deutz, Thyssen, Korting, Krupp, Tosi, Societe Cockerille строят горизонтальные четырехтактные двигатели с цилиндрами двойного действия тендем; лишь три крупных фирмы (Guldner, Lokom.-u. Maschinenfabrik и National) применяют вертикальную конструкцию, ограничиваясь, впрочем, сравнительно небольшими мощностями. На фиг. 1 показана конструктивная схема двухтактного двигателя фирмы Maschinen-A.-G. v. Klein; поршни n, n охлаждаются водой; впуском в цилиндр управляют клапаны к, к; выпуском - продувочные окна о, о. Несмотря на ряд общеизвестных преимуществ вертикального типа (меньшее трение поршней, лучшее уравновешивание и т. д.), горизонтальная конструкция двигателей газовых получила почти исключительное распространение. Это объясняется тем, что условия эксплуатации двигателей газовых требуют частой переборки и чистки клапанов, и доступность частей в горизонтальных машинах значительно сокращает простой. Кроме того, твердые образования в продуктах горения и механические негорючие загрязнения газа, скопляясь в нижней части цилиндра, легче выдуваются выхлопными газами. Немаловажными преимуществами являются также возможность расположения горизонтальных двигателей в сравнительно низких помещениях и удобство общего наблюдения. Поэтому в настоящее время горизонтальные машины получили исключительную монополию на большие мощности.

Что касается преобладания четырехтактного типа машин, то это надо объяснить большей их экономичностью, ибо необходимая ровная, безвихревая продувка двухтактных двигателей далеко не всегда осуществляется, следствием чего является недостаточная очистка или утечка газа через выхлопные органы двигателя.

Современная конструкция в основном лишь немногим отличается от старой, тогда как детали претерпели в течение ряда лет весьма серьезные конструктивные изменения. Эти изменения имели целью достижение большей простоты и взаимозаменяемости деталей и были обусловлены соответственным выбором материала. Стальное литье для цилиндров не нашло себе применения вследствие сложности формы и больших тепловых удлинений стали. Напротив, поршни всех диаметров с большим успехом отливаются в настоящее время из стали. Следует, впрочем, отметить, что из стали отливают только т. н. нетрущиеся поршни, в то время как материалом для остальных служит чугун. Введение в обиход нетрущихся стальных поршней повлекло за собою усложнение обработки поршневых штоков. Оси последних придается форма, примерно соответствующая очертанию упругой линии нагруженного поршнем штока, подпертого с двух сторон ползунами. В монтированной машине такой гнутый шток прогибается под действием веса поршня и принимает прямолинейное очертание, предохраняя так. обр., поршень от соприкосновения со стенками цилиндра (трутся только уплотнительные кольца). Точное центрирование штока относительно оси цилиндра имеет большое значение для сохранения уплотнений в крышках цилиндров. Тигельную сталь, шедшую раньше на поделку поршневых штоков, удалось с успехом заменить более дешевой, тщательно прокованной мартеновской сталью. Переконструирована также и рама, отливаемая из нескольких частей. Для двигателей больших мощностей цилиндры (фиг. 2) отливаются разъемными по сечению АБ, с водяной рубашкой рр большой емкости. Материал – мягкий и вязкий чугун. В середину цилиндра загоняется букса б из твердого чугуна, могущая свободно расширяться в осевом направлении. Фирма Тиссен отливает неразъемные цилиндры и для больших мощностей.
Наиболее существенным усовершенствованием надо признать упразднение специального, отдельно приводимого в действие смесительного клапана. В новых конструкциях функции смесительных органов выполняют впускные клапаны; они же осуществляют и регулирование. Помимо упрощения и удешевления распределения и регулирования, это нововведение значительно упростило и ускорило процесс периодической чистки цилиндров; этому обстоятельству новая конструкция (фиг. 3) обязана своим всеобщим распространением.

В двигателях воздуходувок обычно имеется ручное регулирование, в противоположность газодинамо, где применяется автоматический регулятор. Причина заключается в различии постоянства нагрузки обоих видов двигателей. Число оборотов двигателей газовых большой мощности обычно невелико - около 100 об/м. Приведение клапанов в действие осуществляется при помощи горизонтального распределительного вала, получающего движение от коленчатого вала посредством промежуточного вала. Регулятор обычно помещается на распределительном или промежуточном валу, чаще всего посредине рамы, воздействуя на газораспределение при помощи так называемого регуляторного валика. Собственно привод клапанов осуществляется часто при помощи катящихся один по другому профилированных рычагов с перемещающимся мгновенным центром вращения. Весьма сильные клапанные пружины n, n (фиг. 4), применение которых вызывается наличием больших масс движущихся частей клапанов к и их приводов, создают серьезные затруднения при применении кулачкового распределения, а поэтому последняя конструкция применяется лишь в двигателях газовых малых мощностей. Значительное распространение имеют и эксцентриковые распределения, главн. образом в двигателях газовых больших мощностей.

Необходимое, с точки зрения газораспределения, перекрывание выхлопного и всасывающего клапанов дает возможность горячим выхлопным газам войти в соприкосновение со свежей смесью, следствием чего бывают взрывы в смесительных органах. Поэтому применение желательного, с точки зрения наилучшего перемешивания газа с воздухом, смесительного резервуара становится невозможным. Смесительная камера с (фиг. 5) должна помещаться в непосредственной близости от седла всасывающего клапана к и быть по возможности малых размеров, а подводящие газ и воздух каналы должны отделяться заслонкой. Желательно ставить предохранительные клапаны. Все двигатели газовые должны снабжаться действующими от руки заслонками на газопроводах до связанных с регулятором смесительных органов. Эти заслонки, не влияя непосредственно на смесеобразование, должны дать возможность машинисту приспособлять процесс смесеобразования к переменному режиму газогенератора и домны. Для подсчетов процесса образования смеси Гелленшмит рекомендует средние числа, приведенные в табл. 1. Регулирование представляет одну из характернейших особенностей этих двигателей.

Зажигание в тихоходных двигателях большой мощности применяется почти исключительно низкого напряжения, так называемого отрывного действия. В месте разрыва цепи проскакивает искра, весьма горячая даже при низких напряжениях, не превосходящих 100-150 V. Примером подобной конструкции может служить аппарат фирмы Роберт Бош (фиг. 6 и 7). Сидящий на распределительном валу в кулак к отклоняет при своем вращении рычаг р крестообразной формы. Этот рычаг заклинен на цапфе якоря я, помещенного между полюсами 2-х магнитов м, так что отклонение рычага генерирует электрический ток. Приведение рычага в первоначальное положение осуществляется двумя боковыми пружинами n. Крестообразный рычаг свободно связан длинной тягой m с отрывным патроном П, удлиненный конец которого, проникающий в камеру горения, действием особой пружины постоянно прижат к контакту К патрона (фиг. 7), изолированного от стенок цилиндра и соединенного проводом с источником тока. Т. о., в момент отклонения рычага, т. е. в момент генерирования тока, тяга поворачивает отрывной патрон вокруг его оси и, отведя его внутренний конец от контактного патрона, размыкает цепь. Проскакивающая искра воспламеняет смесь. Несмотря на ряд преимуществ описанной системы (надежность действия, простота запального аппарата, длинная и горячая искра), с ней успешно конкурирует зажигание высокого напряжения. Причина лежит в следующем. Для надежного воспламенения смеси ставят по 3-4 свечи с каждой стороны цилиндра, а необходимость синхронизации их работы делает установку зажигания низкого напряжения слишком сложной. В противоположность этому высокое напряжение дает возможность упростить как всю установку, так и коммутацию.

Повышение мощности газовых двигателей требовало весьма больших размеров цилиндра. Тиссен дошел до 1500x1500 мм; повышение числа оборотов выше 100 в мин. представлялось нецелесообразным в отношении электрических агрегатов.

Оставался один путь - повышение среднего индикаторного давления.

Тут наметились два различных метода: 1) использование способа так называемой наддувки, т. е. наполнения цилиндра смесью повышенного давления (этот метод представлял опасность взрывов во всасывающем газопроводе); 2) применение более тщательной очистки цилиндров от продуктов горения, для того чтобы заполнять свежей смесью не только объем, описываемый поршнем, но и камеру сжатия. Далее, наддувку представилось возможным применить в виде дополнительного нагнетания продувочного воздуха в цилиндр в период сжатия. Этот способ позволил увеличить коэффициент наполнения зарядки и тем поднять среднее индикаторное давление. Т. о. мощность удалось повысить на 25-30%. При этом оказалось необходимым увеличить объем камеры сжатия, т. к. в противном случае значительно возрастают усилия в двигателе, что сокращает срок его службы, а неизбежное повышение температуры процесса ведет к преждевременной вспышке.
Помимо существенного значения охлаждающего эффекта, производимого продувочным воздухом на стенки, что влечет за собой понижение температуры конца всасывания, описанный способ имеет еще ряд преимуществ: чистое содержание цилиндров улучшает горение и тем способствует повышению и равномерности термического КПД; механический КПД относительно улучшается; ход двигателя становится равномернее, что позволяет уменьшить вес маховика. На фиг. 8 представлены три нормальные диаграммы и им соответственные, снятые со слабой пружиной: I и I" - принадлежат нормальному двигателю, II и II" - машине с продувкой, III и III" - машине с продувкой и дутьем, т. е. нагнетанием продувочного воздуха после закрытия газового и воздушного каналов. Применяя продувочный воздух давлением в 1,25-1,30 atm, можно достигнуть увеличения наполнения на 25-30%. Действительное давление конца всасывания соответственно возрастает до 1,5 atm вместо обычных 0,95. Как видно из диаграмм, среднее индикаторное давление возрастает с 4,8 до 6,25 atm. Характерна конструкция клапана с тремя каналами (фиг. 9): по верхнему поступает продувочный воздух, по среднему - воздух для рабочей смеси, по нижнему - газ. Управление щелями а, б и в всех трех каналов достигается тремя цилиндрическими золотниками г, д и е, насаженными на стержень всасывающего клапана к. При закрытом всасывающем клапане канал а для сжатого воздуха полностью открыт и закрывается при подъеме клапана, когда открываются щели б и в для воздуха и газа. Регулирование при уменьшении хода происходит так, что сперва перекрывается дроссель з в канале для сжатого воздуха, так что двигатель работает без наддувки, а в дальнейшем происходит дросселирование газа и воздуха. Цилиндр фирмы Тиссен с подобными клапанами развивал 2750 НP при 97 об/мин. Характеристику возможностей, связанных с применением указанного метода, дает табл. 2.

Эти данные относятся к двухмесячному испытанию двух двигателей Тиссена, установленных на металлургическом заводе Феникс-Рурорт (Германия). Главные размеры цилиндров и число оборотов в минуту в обеих машинах были одинаковы (1300 х 1400 мм и n= 94), но одна из них была нормальным четырехтактным двигателем, другая же - повышенной мощности. Расходы на обслуживание, воду и смазку были одинаковы; расход тепла на 1 kWh второй машины был ниже. Заслуживает быть отмеченной весьма высокая средняя нагрузка.

Вопрос об использовании тепла отходящих газов возник как следствие появления машин повышенной мощности: в то время как обычные двигатели теряли с отходящими газами до 30-32% подведенного тепла, машины повышенной мощности теряли до 50-52%. Использование отработанных газов было особенно желательно вследствие их высокой температуры (700-750°С). Эта идея практически осуществилась в форме котлов, преимущественно типа дымогарных, отапливаем, отходящими газами. На фиг. 10 приведена схема подобного котла конструкции фирмы Тиссен.

Большие газовые двигатели повышенной мощности позволяют рассчитывать на 1 кг пара (давление до 10-14 atm при 350-450°С) с каждого эффективного силочаса, развиваемого двигателем. Используя этот пар в соответствующей машине, можно повысить термический КПД с 26-28 до 31-33%.

Охлаждающая вода также подлежит использованию: она может быть использована непосредственно на цели отопления или варки (в двигателе газовом температура воды, выходящей из водяной рубашки, доходит до 80-90°С), или с помощью маленького котла, сообщающегося с системой охлаждения, превращена в пар (до 3 atm - Тиссен), или, наконец, как то делает MAN, направлена в общий котел, отапливаемый отходящими газами. Термический КПД подобной паросиловой установки может быть доведен до 0,36, в предположении, что расход тепла при 70% нагрузки составляет лишь 2400 Cal на 1 силочас.

Исследование экономичности газосиловых установок дает следующие результаты (по данным Ф. Бартшерера).

1) Установки без использования тепла отходящих газов. При средней нагрузке в 86% и расходе, тепла в 3700 Cal на 1 kWh,

Учитывая расход энергии на приведение в действие ряда вспомогательных устройств (воздушных и водяных насосов и пр.), приведенный КПД η необходимо понизить. По произведенным измерениям, этот дополнительный расход выражается примерно в 7-8% от общего; поэтому η = 21,5%. 2) Установки с использованием тепла отходящих газов. В табл. 3 приведен примерный тепловой баланс упомянутого выше двигателя Тиссена.

Полагая среднюю паропроизводительность котла в 1,63 кг пара на каждый реально отдаваемый двигателем kWh, что соответственно равняется 1160 Cal, имеем при непосредственном использовании тепла (отопление, варка):

В случае потребления пара на генерирование тока можно, при пользовании турбодинамо с высокими давлениями, из упомянутых 1,63 кг пара получить 0,338 kWh. В этом случае расход пара в турбине будет равен 4,8 кг на один kWh, и

Практикуемое в настоящее время весьма высокое давление пара повысит КПД в данном случае до 31,5%, таким образом при 60 atm и 380°С выигрыш составит 10%.

Использование тепла охлаждающей воды, при наличии в системе охлаждения особого парообразовательного устройства, дает при 700 Cal с каждого kWh примерно 0,8-1,0 кг пара на kWh (см. табл. 4).

Для надежности работы двигателя давление пара в рубашке не поднимают выше 2 atm; поэтому пар м. б. использован только в ступени низкого давления турбины, где он разовьет около 0,1 kWh. Таким образом

Техника безопасности . Двигатели газовые должны быть установлены в отдельных специально для этого устроенных помещениях. Только при особых условиях работы допускается установка двигателей газовых в рабочих помещениях, но при обязательном отделении их решетками или перилами высотой не менее 1 м со сплошной зашивкой внизу на высоту не менее 18 см. Двигатели газовые должны устанавливаться на прочных фундаментах, не связанных со стенами здания; высота помещения должна быть не менее 4 м, а ширина и длина таковы, чтобы около двигателя или агрегата с ограждениями оставался свободный проход не менее 1 м шириной. Освещение д. б. достаточным для безопасного обслуживания двигателей газовых. Вентиляция должна обеспечить правильный приток чистого воздуха и температуру не свыше 26°С. Наинизшая температура д. б. не менее 10°С. Все ямы, углубления (например, для маховика), отверстия в полах и мостки в помещении двигателей газовых должны быть ограждены перилами в 1 м со сплошной зашивкой по низу высотой в 18 см. Если двигатели газовые имеет части, которые нельзя безопасно обслуживать с пола, то д. б. устроены площадки и лестницы с перилами высотой в 1 м и зашивкой по низу на 18 см. Проходы под канатами и ремнями должны быть перекрыты прочной и надежно укрепленной конструкцией. Все доступно расположенные движущиеся части двигателей газовых должны быть ограждены прочными решетками, перилами или футлярами. Отработанные газы двигателей газовых должны удаляться в атмосферу через достаточно высокую отводящую трубу (желательно выше конька крыш соседних зданий). Для уменьшения шума объем глушителя д. б. не менее пятикратного объема рабочего хода одного цилиндра; исключение допускается для глушителей специальной конструкции; самый глушитель должен располагаться снаружи вне помещения двигателей газовых. Выхлопные и отводящие трубы д. б. изолированы в пределах машинного отделения (опасность ожогов) и не должны соприкасаться с горючим материалом (пожарная опасность). Ряд мер имеет в виду предотвратить опасность от проникновения газа: 1) подводящая газ труба д. б. снабжена автоматическим запорным клапаном непосредственно на патрубке двигателя, 2) поршень, клапаны и сальники двигателей газовых должны быть достаточно плотны и 3) кроме нормального запорного клапана, должен иметься дополнительный, легко доступный, по возможности в помещении самого двигателя. Во избежание катастрофы от случайной остановки регулятора конструкция передачи к последнему должна обеспечивать надежность действия; поэтому не допускается передача ременная или шнуровая.

Одним из наиболее опасных моментов является пуск двигателя газового в ход. Для 4-тактных двигателей мощностью свыше 15 НP и 2-тактных свыше 25 НP должны устраиваться специальные автоматические пусковые приспособления (сжатым воздухом, отработанными газами, электричеством и т. п.). Для более мелких двигателей должны иметься ручные приспособления, обеспечивающие легкий и безопасный пуск их в ход. Ручная смазка, как безусловно опасная, д. б. заменена самодействующей для крейцкопфов, кривошипов, коленчатых валов, эксцентриков, направляющих и сальников.

Правила техники безопасности для газогенераторов - см.

Природный газ является самым экологичным ископаемым топливом. Использование природного газа в автомобилях позволяет снизить содержание в выхлопе углекислого газа на 25%, угарного газа на 75%. Основным компонентом природного газа выступает метан. Природный газ храниться под давлением 200 бар, поэтому другое его название – сжатый (компримированный) природный газ (Compressed Natural Gas, CNG). В настоящее время свыше 15 миллионов автомобилей в мире эксплуатируется на природном газе.

Другим преимуществом природного газа является его низкая цена (метан в 2-3 раза дешевле бензина). К недостаткам использования природного газа можно отнести падение мощности автомобиля (до 20% в зависимости от конструкции), неразвитая сеть заправочных станций в России, повышенный износ клапанов при работе двигателя на газе, высокая стоимость газобаллонного оборудования.

Отдельно необходимо сказать о безопасности автомобилей на природном газе. Исследования немецкого автомобильного клуба (ADAC) показали, что риск возникновения пожара при лобовом и боковом ударе транспортного средства не увеличивается. То есть при аварии автомобиль, работающий на природном газе, ведет себя как обычный автомобиль.

Различают следующие виды автомобилей на природном газе:

• серийные автомобили (выпущенные серийно на заводах автопроизводителей);
• модифицированные автомобили (переоборудованные на специализированных предприятиях).

Серийные автомобили на природном газе

Серийные автомобили на природном газе выпускаются в двух вариантах исполнения: двухтопливные (газ и бензин используются на равных правах, имеется возможность переключения режимов) и монотопливные (основное топливо газ, имеется аварийный бензобак, автоматическое переключение на бензин). Монотопливные автомобили лучше приспособлены для работы на природном газе, у них оптимальный расход топлива и низкий уровень вредных выбросов.

Для перевода на природный газ автопроизводители используют имеющиеся бензиновые двигатели (двигатели с искровым зажиганием). Наилучшим образом для перевода на газ приспособлены двигатели с турбонаддувом . Адаптация работы турбокомпрессора (большее сжатие, дополнительное давление наддува) позволяет добиться одинаковой для газа и бензина характеристики мощности и крутящего момента двигателя.

Особенностями сжатого природного газа являются повышенная детонационная стойкость (октановое число 130) и отсутствие смазывающих свойств, что приводит к повышенным нагрузкам на двигатель. Для противодействия перечисленным факторам в механическую часть двигателя вносятся различные изменения, повышающие прочность отдельных элементов и узлов (поршневых пальцев и колец, шатунных вкладышей, направляющих и седел клапанов). При необходимости повышается теплопроводность бензиновых форсунок, увеличивается производительность водяного и масляного насосов, заменяются свечи зажигания.

Серийные автомобили на природном газе предлагают большинство автопроизводителей, в том числе Audi, BMW, Citroen, Chevrolet, Fiat, Ford, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz, Opel, Peugeot, Seat, Skoda, Toyota, Volkswagen, Volvo. Автомобили реализуются в регионах, где использование природного газа наиболее распространено. В нашей стране серийные автомобили на природном газе официально не продаются. Серийный автомобиль на природном газе с пробегом можно ввести в страну.

Модифицированные автомобили на природном газе

Теоретически все автомобили с бензиновым двигателем могут быть переоборудованы для работы на природном газе. Специализированные центры предлагают установку газобаллонного оборудования на природном газе от различных производителей. В результате вы получаете двухтопливный автомобиль, способный работать на газе и бензине. Ввиду высокой стоимости газобаллонное оборудование на природном газе устанавливается, в основном, на коммерческий транспорт (такси, автобус, грузовые автомобили), где оно быстрее окупается и позволяет получить существенную выгоду.

Газ номинального рабочего давления поступает в газовую распределительную магистраль и далее к клапанам подачи газа во впускном коллекторе. Клапан подачи газа (в некоторых источниках – газовая форсунка) представляет собой электромагнитный клапан. При подаче тока на катушку электромагнита, поднимается якорь и открывается дозирующее отверстие. Газ в импульсном режиме поступает во впускной коллектор и смешивается с воздухом. При отсутствии тока, пружина удерживает клапан в закрытом положении.

Электронная система управления подачей газа включает входные датчики, блок управления и исполнительные устройства. Для серийных автомобилей система управления подачей газа является расширением системы управления двигателем . Модифицированные автомобили имеют отдельную систему управления.

К входным датчикам относятся датчик давления в баллоне и датчик давления в газовой распределительной магистрали. Датчик давления в баллоне располагается на регуляторе давления. Он определяет запас газа в баллоне (баллонах) величину заправки газом, а также герметичность баллона (баллонов). Датчик давления в газовой распределительной магистрали определяет давление газа в контуре низкого давления, на основании которого определяется продолжительность открытия клапанов подачи газа.

Сигналы от датчиков поступают в электронный блок управления. В своей работе блок управления использует информацию от других датчиков систему управления двигателем: частоты вращения коленчатого вала , положения дроссельной заслонки , кислородного датчика и др. В соответствии с заложенным алгоритмом блок управления выполняет рад функций:

• управление впрыском газа (в зависимости от числа оборотов двигателя, нагрузки, качества и давления газа);
• лямбда-регулирование работы на газе (обеспечение работы на гомогенной смеси, адаптация качества газа);
• холодный пуск двигателя (при температуре воздуха ниже 10оС запуск двигателя производится на бензине);
• аварийный пуск двигателя (если в течение нескольких секунд не производится запуск на газе, производится запуск на бензине).

Перечисленные функции реализуются с помощью исполнительных устройств: клапанов подачи газа, запорных клапанов на баллонах, клапане высокого давления в регуляторе давления.

Ввиду повсеместных усилий, направленных на снижение выбросов СO 2 , природный газ приобретает все большую важность в ка­честве альтернативного вида топлива для автомобилей. Сжатый природный газ (СПГ), который не следует путать со (СНГ), в основном состоит из метана. Сжиженный нефтяной газ в основ­ном состоит из пропана и бутана. Работа двигателя на сжатом природном газе несколько отличается. Вот о том как происходит работа двигателя на природном газе, мы и поговорим в этой статье.

Содержание

Применение сжатого природного газа на автомобилях

По сравнению с бензином, при сгорании сжатого природного газа образуется приблизительно на 25% меньше СO 2 . Таким образом, сжатый природный газ дает наи­меньшее количество выбросов СO 2 из всех видов ископаемого топлива. Применение в качестве топлива биогаза позволит в еще большей степени снизить глобальные вы­бросы парниковых газов. В связи с более низким содержанием СO 2 в отработавших га­зах, транспортный налог на автомобили, ра­ботающие на сжатом природном газе, во многих странах снижен.

Тем временем различные производители начали предлагать варианты автомобилей, оборудованных для работы на сжатом при­родном газе. При этом баллоны для СПГ большего объема размещаются более удобно и эффективно, без потерь полезного объема багажного отделения, практически неизбеж­ных при доделке автомобилей.

Последнюю информацию о количестве автомобилей, которые могут работать на СПГ, и сети заправочных станций сжатого природного газа в Гер­мании можно найти в Интернете. Такие автомобили, как правило, явля­ются двухтопливными, т.е. водитель может переключаться с бензина на газ и обратно. Существуют также варианты, получившие название «Monovalent plus», в которых дви­гатель оптимизирован для работы на природ­ном газе с целью как можно более полного использования его преимуществ по сравне­нию с бензином (более высокая стойкость к детонации, меньшее количество выбросов СO 2 и токсичных веществ). На автомобилях варианта «Monovalent plus», тем не менее, предусмотрен небольшой бензобак (<15 л), чтобы можно было продолжать движение на бензине в случае отсутствия поблизости стан­ции заправки природным газом.

Конструкция автомобиля, работающего на сжатом природном газе

Хранение природного газа в автомобиле

Природный газ может храниться в жидком состоянии при температуре -162°С (сжижен­ный природный газ) или в сжатом виде при давлении до 200 бар (сжатый природный газ, СПГ). Ввиду больших затрат, связанных с хранением природного газа в жидком со­стоянии, стандартным способом стало хра­нение в сжатом виде при давлении 200 бар. Несмотря на столь высокое давление, плот­ность хранения энергии у природного газа значительно меньше, чем у бензина. Для хра­нения количества природного газа с таким же энергосодержанием, как у бензина, требуется бак в четыре раза большего объема.

Компоненты систем на сжатом природном газе

Автомобили, способные работать на при­родном газе, практически исключительно оборудованы двигателями с искровым зажи­ганием. Дополнительные компоненты вклю­чают следующее (см. рис. «Работа двигателя на природном газе или бензине» ):

• Заправочная горловина;
• Баллон для природного газа;
• Запорные клапаны высокого давления (на баллоне для природного газа);
• Регулятор давления природного газа с дат­чиком высокого давления;
• Газовая рампа с газовыми форсунками;
• Комбинированный датчик давления и тем­пературы.

Принцип действия двигателя на природном газе

Всасываемый двигателем воздух проходит через датчик массового расхода воздуха и дроссельную заслонку с электронной систе­мой управления и поступает во впускной тру­бопровод. Отсюда он подается в камеру сго­рания через впускные клапаны (см. рис.). Природный газ, находящийся в баллоне под давлением 200 бар, проходит через запорный клапан высокого давления на баллоне и по­ступает в модуль регулирования давления, который снижает давление до постоянного рабочего давления, составляющего прибли­зительно 7 бар (абсолютное давление). Затем по гибкому шлангу низкого давления газ поступает в газовую рампу, откуда он подается к газовым форсункам.

Системы управления двигателем для двух­топливных автомобилей

В настоящее время находят применение си­стемы как с двумя блоками управления (по одному блоку управления для работы на бен­зине и газе), так и с одним общим блоком управления. На некоторых двухтопливных ав­томобилях водитель может выбирать работу на бензине или газе при помощи переключателя, однако на большинстве моделей это пере­ключение осуществляется автоматически, т.е. двигатель работает на газе до тех пор, пока газ не заканчивается. В этом случае происходит автоматическое переключение на бензин.

Датчик высокой температуры, установлен­ный на модуле регулирования давления, вы­дает в систему управления двигателем данные о текущем запасе газа в баллоне, а также ис­пользуется при выполнении диагностики. Ком­бинированный датчик давления и температуры, установленный на газовой рампе, позволяет си­стеме управления двигателем корректировать момент и продолжительность впрыска газа та­ким образом, чтобы состав смеси во впускном трубопроводе оставался стехиометрическим, несмотря на колебания плотности газа. Система управления двигателем также включает меха­низм адаптации к изменениям свойств газа.

Остальные датчики и исполнительные устройства системы управления двигателем в основном идентичны используемым в бен­зиновом двигателе.

Смесеобразование в двигателях на сжатом природном газе

В большинстве двигателей при работе на при­родном газе, так же как при работе на бензине, газ подается во впускной трубопровод. Из «об­щей топливной рампы низкого давления» газ подается к форсункам, которые в импульсном режиме осуществляют впрыск природного газа во впускной трубопровод. При этом улуч­шаются условия смесеобразования, поскольку подача полностью газообразного топлива исключает возможность его конденсации на стенках впускного трубопровода и отложения на них пленки топлива, как это может проис­ходить при работе на бензине. Выброс токсич­ных компонентов с отработавшими газами при использовании сжатого природного газа снижается, особенно при работе двигателя в режиме прогрева.

В настоящее время на рынке предлага­ются двухтопливные автомобили и варианты «Monovalent plus». Двухтопливные автомо­били могут работать как на природном газе, так и на бензине, однако при работе на природ­ном газе эффективная мощность двигателя снижается приблизительно на 10-15%. Это связано с более низким значением мощности на единицу рабочего объема двигателя, что можно объяснить вытеснением всасываемого воздуха, нагнетаемым природным газом.

Двигатели автомобилей могут быть опти­мизированы специально для работы на при­родном газе. Чрезвычайно высокая стойкость природного газа к детонации (октановое число по исследовательскому методу (RON) до 130) дает возможность увеличить степень сжатия и делает природный газ идеальным топливом для двигателей с наддувом. Одновременное уменьшение рабочего объема цилиндров по­вышает к.п.д. двигателя, благодаря дополни­тельному снижению сопротивления и потерь на трение.

Выбросы отработавших газов

При работе двигателя на природном газе коли­чество выбросов СO 2 снижается, по сравнению с работой на бензине, приблизительно на 25%. Причина заключается в более благоприятном соотношении водород/углерод (отношение Н/С) — почти 4:1 (для бензина приблизительно 2:1). Это приводит к образованию во время сгорания природного газа большего количе­ства воды и меньшего количества СO 2 .

Кроме практически полного отсутствия в вы­бросах твердых частиц, в сочетании с трехком­понентным каталитическим нейтрализатором, двигатель, работающий на природном газе, производит очень небольшие количества ток­сичных веществ (NO x , СО и НС). Каталитический нейтрализатор для двигателя, работающего на природном газе, содержит большее количество благородного металла, что необходимо для улуч­шения преобразования углеводородов, состоя­щих в основном из химически стабильного ме­тана, и компенсации более высокой температуры «поджига» для природного газа (минимальная температура каталитического нейтрализатора, при которой начинается преобразование токсич­ных веществ). Следует указать, что, в отличие от Европы, в США метан классифицируется как нетоксичное вещество и, следовательно, не рас­сматривается американским законодательством в области ограничения токсичности отработав­ших газов, как загрязняющее вещество.

Автомобили, работающие на природном газе, отвечают высоким требованиям в отно­шении предельного содержания токсичных веществ в отработавших газах, особенно это относится к автобусам, которые должны отвечать более строгим требованиям EEV (усо­вершенствованный экологически чистый автомобиль). Использование природного газа также дает значительные преимущества по сравнению с бензиновыми и дизельными двигателями в отношении выбросов загряз­няющих веществ, не регламентируемых за­конодательством. Некоторые из них являются канцерогенами, а также способствуют образованию смога и кислотных дождей.

Компоненты двигателей на сжатом природном газе

Для обеспечения двигателя внутреннего сгора­ния газообразным топливом необходимо до­зировать через газовые форсунки значительно большие объемы газа, чем объемы бензина в обычном бензиновом двигателе. Это условие предъявляет особые требования к конструкции газовой форсунки, которая должна быть адап­тирована к этим высоким значениям объемного расхода газа посредством увеличения проход­ных сечений. Кроме того, высокие скорости по­тока газа требуют специальной формы каналов с целью снижения потерь давления в форсунке.

В двигателях с интенсивным наддувом дав­ление во впускном трубопроводе может воз­растать до 2,5 бар (абсолютное давление). Для снижения влияния давления во впускном трубо­проводе на массовый расход необходимо, чтобы давление перед соплом в самом узком месте (точка дросселирования) было, как минимум, в два раза больше максимального давления во впускном трубопроводе (давление после сопла). При этом скорость газового потока равна скоро­сти звука, независимо от абсолютного давления после сопла. Отсюда следует, что переменное давление во впускном трубопроводе не ока­зывает влияния на массовый расход. С учетом возможных потерь давления перед точкой дрос­селирования минимальное рабочее давление (абсолютное) должно составлять 7 бар.

Конструкция и принцип действия газовой форсунки

Якорь электромагнита (см. рис.) находится в гильзе, служащей в качестве направляющей. Топливо протекает через канал внутри якоря. На выходном конце этого канала имеется эласто­мерное уплотнение. Это уплотнение прилегает к седлу клапана и изолирует подачу топлива от впускного трубопровода. При подаче питания катушка электромагнита создает магнитную силу, необходимую для подъема якоря элек­тромагнита и открытия дозирующего сечения (точка дросселирования в седле клапана). Когда катушка обесточена, пружина клапана удержи­вает форсунку в закрытом положении.

Оптимизированная геометрия газовой форсунки

Благодаря оптимизированному маршруту потока, потери давления перед точкой дрос­селирования сведены к минимуму, что обе­спечивает максимально возможный массовый расход. Кроме того, самое узкое сечение и, следовательно, точка дросселирования нахо­дится на выходном конце, после уплотнения. Здесь скорость потока близка к скорости звука, поэтому в физическом смысле клапан пред­ставляет собой практически идеальное сопло.

Геометрия уплотнений форсунки для природного газа

Газовая форсунка установлена с эластомер­ным уплотнением и в отношении геометрии уплотнения седла подобна запорным клапа­нам для пневматических систем. Эластомер­ный материал улучшает герметичность уплот­нения металлических игольчатых клапанов.

Эластомерный материал также обладает демпфирующими свойствами и предотвра­щает «дребезг», т.е. повторные нежелательные колебания якоря электромагнита вовремя за­крытия, что повышает точность дозирования.

Первый газовый двигатель внутреннего сгорания был разработан немецким изобретателем Н. Отто. Принцип его работы заключался в том, что горючая смесь предварительно подвергалась сильному сжатию в верхней точке положения поршня. На создание экономичного двигателя, КПД которого достигал 15 %, изобретателю потребовалось около 15 лет, он получил название четырехтактного, поскольку рабочий цикл в нем протекал за четыре хода поршня.

Газовый двигатель внутреннего сгорания – общее описание агрегата

Современные двигатели такого рода работают на природном и попутном газах, а также на сжиженном пропан-бутане, доменном газе и других. Преимущество таких двигателей заключается в меньшем износе основных узлов и деталей, что достигается путем создания качественной горючей смеси и ее эффективного сжигания. К тому же, в выхлопах практически отсутствуют вредные примеси.

КПД современных двигателей на таком топливе достигает порядка 42 %. Наиболее широко они применяются в газовой и нефтяной промышленности в качестве приводных устройств на газоперекачивающих установках. В последнее время перестали быть новинкой такие агрегаты и в автомобиле.

Работает такое оборудование практически так же, как и бензиновое. Вначале сжиженный газ по топливной магистрали поступает в клапан-фильтр, где проходит предварительную очистку от различных взвесей и смол. Далее очищенный газ поступает в редуктор-испаритель, в котором его давление понижается до 1 атмосферы, после чего через дозатор подается в смеситель.

В оборудовании для инжекторных двигателей не применяется бензиновый клапан, вместо него устанавливается эмулятор форсунок.

Газовый двигатель своими руками – реально ли это?

В настоящее время на автомобилях применяются две схемы подключения оборудования:

• классическая – газ подается непосредственно в карбюратор или инжектор;
• последовательная – топливо поступает в форсунки, которые установлены параллельно с бензиновыми.

Классическая схема считается менее затратной, отличается простотой установки, но имеет существенный недостаток. При переключении режимов образуется смесь низкого качества, в результате чего быстро изнашивается. На сегодняшний день последовательная система хоть и является более дорогостоящей, но отличается более качественной подачей газа.

Основные достоинства применения такого оборудования:

1. Возможность легко создать газовый двигатель своими руками, то есть смонтировать установку на автомобиле самостоятельно.
2. Низкая стоимость топлива.
3. Высокое октановое число.
4. Отсутствие вредных выбросов.
5. Более качественная работа двигателя.
6. Благодаря применению газа значительно увеличивается ресурс двигателя.

Недостатки:

1. Снижение динамики разгона автомобиля.
2. Существенно возрастает нагрузка на клапаны газораспределительного механизма.
3. Все оборудование занимает слишком много места.
4. Сложности с использованием оборудования в зимнее время.

Газобаллонное оборудование (ГБО), которое дополнительно может встраиваться своими руками в уже существующую топливную систему автомобиля, приобретается на рынке, каждой модели двигателя соответствует своя модель ГБО. Заправочный баллон с комплектующими (клапан и испаритель) крепится в какой-нибудь нише, чаще всего это место для «запаски».

Следом подсоединяется выносное заправочное устройство, отверстие которого будет выходить на внешнюю сторону кузова. А затем на двигателе устанавливаются клапаны против утечки газа, для перекрывания бензина при включении газа. А в салоне автомобиля располагается переключатель бензин-газ. Если вы сомневаетесь в своих знания о традиционном устройстве мотора, то не рискуйте к нему присоединять ГБО, лучше обратитесь к специалистам.