Системи живлення компримованим природним газом
Природний газ як моторне паливо на автомобільному транспорті використовується і може
бути використаний для таких типів двигунів і транспортних силових агрегатів:
1.Для бензинових двигунів з іскровим запалюванням, які дообладнані додатковою
системою живлення КПГ. При цьому на автомобілі встановлюється додаткове газобалонне
обладнання (ГБО), у результаті чого він стає двопаливним.
2.Для дизелів, які переобладнані для роботи за газодизельним циклом. У такому разі на
автомобіль установлюється додаткове газодизельне (ГД) обладнання у комплекті з балонами для
зберігання КПГ, у результаті чого автомобіль також стає двопаливним.
3.Для "чисто" газових двигунів з іскровим запалюванням, які створені на базі дизелів (з
пониженням ступеня стиску і встановленням свічі запалювання). У цьому разі автомобіль може
працювати тільки на КПГ.
4.Для перспективних транспортних силових агрегатів у поєднанні з паливними
елементами, в яких природний газ використовується як водневмісне паливо.
Системи живлення КПГ (рис. 13.8) за величиною тиску можуть бути середнього тиску (до
5,0 МПа) і високого тиску (до 20 МПа). Газобалонна установка може мати до 10 балонів.
Рисунок 13.8. Система живлення КПГ:
1 – балон; 2 – трійник; 3, 13 – газопроводи; 4 – хрестовина; 5, 6, 18 – вентилі; 7 – паливний бак; 8,
9 – манометри; 10 – газовий фільтр; 11 – редуктор; 12 – дозувальний пристрій; 14 – карбюратор-
змішувач; 15 – паливопровід; 16 – паливний насос; 17 – підігрівач; 19 – трубка
Газодизелі. Конструкція дизеля, яка розрахована на високі навантаження і тиск, може
бути з успіхом використана для створення високоефективного газового двигуна. На сьогодні
найбільшого поширення набули два способи переобладнання дизелів для роботи на газовому
паливі:
- переобладнання дизелів у "чисто" газові двигуни з іскровим запалюванням.
- переобладнання дизелів для роботи за газодизельним циклом.
Якщо в першому випадку у конструкцію двигуна вносяться істотні зміни (знижується
ступінь стиску, установлюються додаткові системи запалювання, живлення і регулювання подачі
газового палива), то у другому випадку дизель дообладнується лише додатковою системою
живлення і регулювання подачі газового палива.
Особливістю газодизельного циклу є те, що температура самозапалювання газу вища за
температуру самозапалювання дизельного палива, а оскільки температура у циліндрі двигуна
наприкінці такту стиснення нижча за температуру самозапалювання газоповітряної суміші, то
для її надійного запалювання необхідно впорскувати в циліндри газодизеля так звану "запальну
дозу" дизельного палива.
Основною перевагою газодизелів є те, що вони без зниження потужності можуть
працювати як за дизельним циклом (лише на дизельному паливі), так і за газодизельним циклом
(на природному газі і дизельному паливі). При цьому величина "запальної дози" дизельного
палива може коливатися в межах від 5ч7% до 30% від номінальної витрати палива. Слід
відзначити, що для надійного запалювання газоповітряної суміші, яка міститься в циліндрах
газодизеля, достатньо 5ч7% величини "запальної дози" на усіх швидкісних і навантажувальних
режимах. Однак досягти таких значень "запальної дози", не змінюючи конструкції паливної
апаратури (ПА), неможливо. Якщо в конструкцію паливної апаратури вносять зміни (зменшують
діаметр і/чи хід плунжерів ПНВТ, зменшують площу прохідних отворів форсунок і/чи їхню
кількість), то це призводить до того, що газодизель при роботі за дизельним циклом втрачає до
25ч40% потужності.
У зв'язку з цим на транспортних газодизелях, які установлюють на вантажні автомобілі та
автобуси, "запальна доза" дизельного палива коливається в межах від 15ч20% до 25ч30%. Такі
значення величини "запальної дози" не потребують внесення змін у конструкцію паливної
апаратури. Регулювати ПА на більш низькі значення "запальної дози" не рекомендується,
оскільки це може призвести до пропусків подачі палива по секціях ПНВТ і погіршити
охолодження розпилювачів форсунок.
Суттєвий вплив на енергетичні та екологічні показники роботи газодизеля має вибір
способу регулювання його потужності. До них належать:
- якісний спосіб регулювання, при якому, керуючи газовою заслінкою, змінюють
кількість газу, що подається в газоповітряний змішувач, змінюючи якість газоповітряної суміші;
- кількісний спосіб регулювання, при якому, керуючи газоповітряною заслінкою,
встановленою за газоповітряним змішувачем, змінюють кількість газоповітряної суміші, яка
подається в циліндри газодизеля;
- змішаний спосіб регулювання, при якому, керуючи газовою і повітряною заслінками,
регулюють кількість газу і повітря, які подаються до газоповітряного змішувача;
- змішаний спосіб регулювання, при якому, керуючи газовою заслінкою, регулюють
кількість газу, що подається до газоповітряного змішувача, а керуючи газоповітряною
заслінкою, регулюють кількість газоповітряної суміші, котра подається в циліндри газодизеля.
На практиці використовують різні способи регулювання потужності газодизеля, але
найбільш поширений якісний спосіб як найпростіший.
Газові ДВЗ на базі дизелів. Основна відмінність газового ДВЗ від дизельного полягає у
повній заміні однієї системи живлення на іншу і змінах у конструкції двигуна. Основна
конструктивна особливість газового двигуна – заміна дизельних форсунок свічами запалювання
й доробка поршнів і головок блоку циліндрів з метою зменшення ступеня стиску до 12-13.
При цьому залежно від конструктивних особливостей двигунів і, у першу чергу, наявності
турбокомпресора розрізняються і робочі процеси у газовому двигуні. Безнаддувні двигуни, як
правило, працюють на стехіометричних сумішах, а двигуни з турбонаддувом в основному
працюють на збіднених сумішах.
У газовому двигуні з іскровим запалюванням, що працює за концепцією
«стехіометричного складу суміші», досягається досить висока питома потужність. Однак у
порівнянні з дизелем, у газовому двигуні, що працює на «бідних складах суміші», істотно
підвищуються теплові навантаження на деталі двигуна, що приводить до необхідності
вдосконалення конструкції і матеріалів ряду деталей базового дизеля. Одночасно із цим значно
зростає зміст оксидів азоту у відпрацьованих газах, для зниження яких «стехіометричні» газові
двигуни в обов'язковому порядку комплектуються трикомпонентними нейтралізаторами.
У газовому двигуні, що працює на бідних складах суміші, рівень теплових навантажень
на основні деталі двигуна не перевищує рівня теплових навантажень базового дизеля, а на
деяких режимах (αсум = 1,5ч1,7 на режимах повного навантаження)) навіть виявляються трохи
нижче. Для забезпечення керування подачею газового палива у газових двигунах автобусів
використаються різні за принципом системи, які за конструктивною складністю можна умовно
розділити на чотири покоління за аналогією із класифікацією газобалонного устаткування для
бензинових ДВЗ, переобладнаних для роботи на газі. Основною ознакою розподілу виступає
спосіб дозування і подачі газового палива у циліндри двигуна.