История газовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с принудительным воспламенением начинается задолго до появления бензиновых двигателей. Еще в 1801 г. Филипп Бонне предложил проект двигателя, в котором газовоздушная смесь под давлением из компрессора подавалась в цилиндр и воспламенялась электрической искрой. В настоящее время основной целью применения газовых и других альтернативных видов топлива для ДВС является сохранение нефтяных ресурсов и снижение затрат на топливо, особенно в районах, куда затруднена доставка жидких видов топлива.

К преимуществам газового топлива по сравнению с бензином относятся высокое октановое число (двигатель меньше повреждается от детонации), а также более широкие пределы воспламеняемости смеси. Преимущества по сравнению с дизельным топливом – снижение уровня шума. При работе на газе снижается токсичность отработавших газов (ОГ), что особенно важно для крупных городов. При правильно спроектированной топливной аппаратуре применение газов в качестве моторного топлива позволяет снизить выброс СО в 2-3 раза, NOx – на 20-30% и СН – в 1,5-2 раза.

Классификация газовых систем питания

По принципу работы применяемые в настоящее время газовые системы можно разделить на четыре поколения:

I поколение. Механические системы с вакуумным управлением, которые устанавливают на бензиновые карбюраторные автомобили.

II поколение. Механические системы, дополненные электронным дозирующим устройством, работающим по принципу обратной связи с датчиком содержания кислорода (лямбда-зонд). Они устанавливаются на автомобили, оснащенные инжекторным двигателем и каталитическим нейтрализатором отработавших газов.

III поколение. Системы, обеспечивающие распределенный синхронный впрыск газа с дозатором-распределителем, который управляется электронным блоком. Газ подается во впускной коллектор с помощью механических форсунок, которые открываются за счет избыточного давления в магистрали подачи газа.

IV поколение. Системы распределенного последовательного впрыска газа с электромагнитными форсунками, которые управляются более совершенным электронным блоком. Как и в системе предыдущего поколения, газовые форсунки устанавливаются на коллекторе непосредственно у впускного клапана каждого цилиндра.

Системы I и II поколений имеют ряд недостатков и не отвечают действующим в настоящее время стандартам ЕЭК ООН. Механические системы с вакуумным управлением широко распространены в Украине. Токсичность отработавших газов автомобилей, оснащенных такими системами, как правило, находится на уровне норм Еuro 1, которые действовали в Европе до 1996 г., и лишь в отдельных случаях приближаются к нормам Еuro 2. Новые, современные системы III и IV поколений адаптированы к двигателям, оснащенным электронной системой управления и трехкомпонентным нейтрализатором отработавших газов, и имеют лучшие экологические характеристики.

Применение видов газового топлива обеспечивает улучшение и других эксплуатационных показателей: увеличивается пробег до замены моторного масла (в 1,5-2 раза, так как газ не разжижает масло), предотвращается забрасывание свечей конденсатом при пуске и прогреве. Благодаря лучшему смесеобразованию двигатель ровней и мягче работает на холостом ходу. После пуска можно меньше прогревать двигатель и быстрей начинать движение, чем на бензине.

Преимущества применения диметилэфира (ДМЭ): обеспечивается практически бездымный выхлоп (0,1 г/кВт•ч) за счет лучшего испарения топливовоздушной смеси, высокий к.п.д., высокое цетановое число (55 и выше), низкая температура кипения (–25 °С), обеспечивающая мгновенное испарение и не требующая интенсивного вихревого движения заряда, уменьшение периода задержки воспламенения, хорошие пусковые качества, меньшая жесткость работы (снижение уровня шума на 15 дБ (А), снижение температуры и давления сгорания, нет фотохимического смога, отсутствие серы, снижение выброса оксидов азота до 25%. Наряду с преимуществами в использовании разных видов газового топлива имеются и недостатки: снижение мощности ДВС, для компенсации этого требуется увеличивать рабочий объем двигателя и степень сжатия или применять наддув; увеличение массы и габаритов топливной аппаратуры, из-за чего уменьшается объем багажника, снижается грузоподъемность автомобиля, затруднен пуск двигателя при низких температурах окружающей среды. Кроме того, при применении газового топлива увеличивается выброс СН на режимах холостого хода и малых нагрузок. Для работы на ДМЭ необходимо изменение формы камеры сгорания дизельного двигателя. При этом возникают проблемы в связи с низкой вязкостью и соответственно ухудшением смазывающих свойств.

Последнее обстоятельство определило необходимость введения в ГОСТ Р 17.2.02.06–99 относительно высоких норм на выброс СН и СО при проверке токсичности отработавших газов в эксплуатационных условиях. Проверка и регулировка системы питания проводится аналогично бензиновым двигателям на холостом ходу при двух скоростных режимах: минимальная частота вращения (800±50) мин^-1 и повышенная (3000±50) мин^-1. При этом в отличие от бензиновых двигателей для газовых двигателей с нейтрализаторами отдельных норм пока нет.

При эксплуатации должны выполняться требования, связанные с обеспечением противопожарных мер (при необходимости пуска двигателя и движения автомобиля на бензине, при хранении его в закрытом помещении, требования по регулярной проверке утечки газа и др.). Газовые баллоны должны отвечать требованиям государственных стандартов и Правилам устройства и безопасности эксплуатации сосудов, работающих под давлением. Максимально допустимое рабочее давление сжиженного газа (СНГ) – 1,6 МПа, минимальное – 0,2 МПа, расчетное максимальное давление газа – 4,8 МПа. В процессе эксплуатации баллоны подвергают пневматическим испытаниям под давлением 1,6 МПа и гидравлическим испытаниям под давлением 2,5 МПа. Герметичность баллона, топливной аппаратуры, трубопроводов проверяется погружением их в воду или обмыливанием. Пропан-бутановые смеси хранят в баллонах при температуре от –40 до +40 °С. Баллон заполняют на 80-90% геометрического объема и устанавливают предохранительный клапан на давление 1,6 МПа. Шланги высокого давления в сборе испытывают на герметичность при давлении 1,6 МПа и на разрушение при 4,8 МПа. Запас прочности – 2,6. На баллонах должна быть табличка с указанием первого и последующих освидетельствований (обычно через 5 лет для баллонов из легированной стали и 3 года – из углеродистой стали).

В системах питания на природном компримированном (сжатом) газе (метане) используют баллоны высокого давления в пределах от 19,6 МПа (максимальное начальное давление) до 0,5 МПа (конечное давление). Существуют системы питания на природном газе, находящемся в сжиженном состоянии, что позволяет использовать баллоны низкого и среднего давления (1,2-5,0 МПа).

Переоборудование автомобилей для работы на газовом топливе производится в соответствии с технической документацией заводов-изготовителей и техническими условиями. После сборки газовой аппаратуры систему проверяют на герметичность воздухом или инертным газом. Запрещается ремонтировать аппаратуру при работающем двигателе, пускать двигатель при утечке газа, выпускать газ в помещениях, проверять герметичность открытым пламенем. Перед выпуском на линию и по возвращении из рейса проверяют герметичность газовой системы. Для проведения регулировочных работ используют специальные стационарные пневматические стенды. Для двигателей с микропроцессорной системой управления существует специальная диагностическая аппаратура для проверки и проведения регулировочных работ на соответствие нормам токсичности ОГ и обеспечение необходимых мощностных и экономических показателей.

В настоящее время широко используются (в сжиженном и сжатом виде) следующие виды газового топлива, достаточно полно удовлетворяющие техническим требованиям транспортных средств: пропан-бутановые смеси, природный газ (метан), диметилэфир (ДМЭ). Возможно применение одновременно двух видов топлива – газа и бензина или газа и дизельного топлива. Существует две марки пропан-бутанового топлива: зимняя марка содержит (90±10)% пропана, а летняя марка – (50±10)% бутана (остальное – бутан и не более 1% непредельных углеводородов).

Диметилэфир в настоящее время является единственным синтетическим топливом, обеспечивающим замену дизельному топливу. ДМЭ получается путем дегидратации метанола из угля, остатков нефти, биомассы, природного газа. Сегодня стоимость его получения в среднем на 4-5% выше, чем дизельного топлива, но ниже стоимости бензина. При 20 °С ДМЭ находится в сжиженном состоянии при 0,5 МПа. Его транспортируют и хранят, как обычный нефтяной газ. Впрыск сжиженного ДМЭ производится топливной аппаратурой аналогичной дизельной при избыточном давлении 1-1,5 МПа. Чтобы исключить образование паровых пробок, в линии низкого давления предусматривается прокачка отсечного топлива и повышение давления насыщения ДМЭ. Пары ДМЭ из картера топливного насоса высокого давления отводятся во впускной трубопровод. Подача ДМЭ может производиться и в газообразном виде.