Какво се случва с двигателите когато работят с газ метан- CNG
Една среща с Андреас Яус от отдела на Opel за разработки на двигатeли захранвани с природен газ и LPG. За трудната работа при проектирането на тези агрегати и колкото ценната, толкова и опърничава субстанция.
Разговорът с Андреас Яус започва като на шега, но неусетно става изключително интригуващ.
Всъщност в това няма нищо чудно предвид факта че любезният ни гост е конструктор и важен фактор в развойния екип на отдела на Opel, отговорен за разработките на двигателите захранвани с природен газ и LPG (Opel Special Vehicles) и както се оказва е безценен източник на информация от първа ръка. При това той с охота споделя резултатите от труда на екипа му, който определено е интересен и се нарича Opel Zafira CNG Turbo EcoFlex – първият сериен автомобил чийто двигател е задвижван с природен газ и обрудван с турбокомпресор. Именно с този модел, макар и с малка преднина инженерите от европейското подразделение на GM преди време изпревариха конкурентите си от Волфсбург. Той от своя страна бе последван и от по-голямата Zafira Tourer CNG Turbo, както и от версия на 1,4 литровия турбо мотор задвижвана от LPG.
Оптимизирането на работата на двигателя според Яус обаче е нелека задача – още при проектирането на първите версии на 1,6 литровият агрегат с атмосферно пълнене конструкторите са принудени да извършат редица промени и модификации свързани със спецификата на горене на природния газ. Превръщането на машината в турбоагрегат е подходящ начин за решаване на голяма част от недостатъците и проблема с влошената динамика, но същевременно се оказва същинско предизвикателство за уменията на инженерите. Когато започва работата си преди няколко години, екипът на Яус е подготвени теоретично, но реалността го сблъсква с неочаквани проблеми, а първите стендови резултати изумяват конструкторите. «Принципно не трябваше да има проблеми по отношение на смесването на газа с въздуха, но на практика това не се случваше», отбелязва Яус. Двете субстанции очевидно нямат афинитет една към друга и сместа трудно се хомогенизира. Вследствие от това се формират зони с различно качествено съотношение, с обогатена и обеднена смес, водещи до съществени разлики в налягането в различни части на цилиндъра по време на процеса на горене. Стойностите варират от 50 до 110 Бара и екипът трябва да извърши много изследвания и опити за да създаде оптимален процес на смесообразуване и работа на двигателя.
Теоретично, оптималната или така наречена стехиометрична смес за метана, при която има пълно съответствие на количеството необходим за окисляването кислород, респективно въздух и количеството въглерод и водород в горивото с е по-голяма от тази на бензина и е 17,2:1 срещу 14,7:1 (при LPG тя е 15,5:1). Другояче казано, за изгаряне на един килограм метан е необходимо по-голямо количество въздух отколкото за изгаряне на един килограм бензин. Или ако решим обратната задача – при едно и също количество всмукан от двигателя въздух (какъвто е случая при атмосферно пълнене) може да бъде изгорено по-малко количество метан, а това естествено води до намаляване на мощността. По-високото енергийно съдържание на метана спрямо бензина на базата на едно и също тегло и по-високото му октаново число отчасти компенсират този недостатък, но това става с увеличаване на степента на сгъстяване, което означава по-сложно модифициране на двигателя и съобразяване на термичното натоварване и изискванията за биваленост, тоест необходимостта от възможност за работа на двигателя и с бензин. Решаването на тези проблеми би могло да стане при изцяло нов подход и именно тук на помощ идва турбокомпресорът – при подходящи настройки той би могъл да осигури необходимото за увеличаване на мощността допълнително количество въздух. Конструкторите разполагат с база върху която да стъпят защото колегите им вече са създали турбоверсия на 1,6 литровия бензинов агрегат, чиято мощност достига 180 к.с.
Така екипът на Яус тръгва в нова посока. Благодарение на високото октаново число на горивото инженерите си позволяват да увеличат максималното налягане на турбокомпресора от 1,1 на 1,5 Бара и да повишат геометричната степен на сгъстяване от 9,0:1 на 10,5:1, постигайки при тези параметри максимална мощност от 150 к.с. Мощността на двигателя е ограничена на тази стойност защото при газовото захранване, в режими на голямо натоварване, не може да бъде използвана възможността за обогатяване на сместа. Така няма ефективно намаляване на средната температура на работния процес в резултат от охлаждането на обема на цилиндрите при изпарението на течното гориво. Температурата на горене при работата на метан при големи натоварвания се повишава и за да се съобразят с този факт конструкторите са принудени да намалят мощността за да запазят ресурса на двигателя. При стендовите изпитания те постигат стойности от порядъка на 300 к.с., но с цената на изключително неблагоприятни условия на работа на механичните елементи. Именно тогава, след множество опити в гранични режими те установяват че при достигане на определени работни температури качествата на алуминиевите сплави от които е изработена например главата рязко се влошават, след което започва интензивен процес на образуване на микропукнатини в структурата им. Границата при която това явление става факт се оказва изключително тънка, поради което те решават да стоят далеч от нея – освен всичко останало увеличеното налягане и големите температурни натоварвания водят до увреждане на каналите на буталните пръстени. Затова те се придържат към умерено натоварване за да гарантират едновременно добри динамични качества и запазване на надеждността на двигателя.
Що се касае до възможността от директно впръскване на горивото, то според Яус това би било много сложно като реализация, поради необходимостта от допълнително компресиране на газа под високо налягане и съответно изразходване на допълнителна енергия и усложняване на конструкцията. Освен това от подобно решение няма и особен смисъл предвид невъзможността за използване на ефекта на вътрешно охлаждане, който е един от най-важните фактори при проектиране на бензиновите двигатели с директно впръскване. При актуалните системи за впръскването се използва налягането на газа в резервоарите, което се редуцира – при версията с атмосферно пълнене горивото се впръсква с налягане от 8 Бара, а количеството се определя от времето за „отваряне” на инжектора. При модификацията с турбокомпресор налягането се управлява гъвкаво в зависимост от условията на работа и натоварването и варира между 7 и 10 бара. За постигането на емисиите Евро 5 конструкторите правят опити и с инжектори на Siemens, но се оказва че клапаните им имат проблеми при стартиране при много ниски температури. Това ги принуждава да се върнат към инжекторите и системата с общ тръбопровод на Bosch.
Яус държи да отбележи че има съществена разлика между конвертирания за работа на газ конвенционален двигател и моторите специално конструирани за целта. При това модификациите далеч не се свежда до описаните дотук. Освен по-високите термични натоварвания елементите на двигателя трябва да се справят и с „по-сухото” и бавно горене при което е елиминиран и смазващият ефект на някои отделяни в процеса вещества като сажди, които практически липсват в „газовите” двигатели. Тъй като това натоварва най-вече елементите които са в пряка зависимост от казаното, значителни промени са претърпели най-вече клапаните и цилиндровата глава – използвани са по-устойчиви на топлинно натоварване сплави за главата, клапаните, леглата им и втулките. Променена е конструкцията и материалите на челата на буталата, различен е потокът и циркулацията на охлаждаща течност за да се справи с по-голямото количество отделена топлина, катализаторът е оптимизиран заради различното съотношение на вредните вещества и по-голямото количество отделяна вода под формата на пара.
Увеличеният въртящ момент на турбодвигателя и шестстепенната предавателна кутия осигуряват както доста повече динамика на моделите оборудвани с него в сравнение с тези с атмосферния мотор, така и значително намаляване на средното ниво на оборотните режими на работа и намаляване на разхода на природен газ.
Всичко описано дотук се отнася в голяма степен и за 1,4 литровия турбо мотор, оптимизиран за работа на LPG и използван в много от моделите на компанията включително Insignia 1.4 Turbo LPG Ecoflex. 1,6 литровият мотор за който стана дума досега пък е старата версия с впръскване във всмукателните колектори. Новата високотехнологична машина 1.6 SIDI Turbo предлага във версии с мощност от 170 и 200 к.с. е доста по-авангарден и скъп агрегат. Въпреки че в режимите на работа на студен двигател директното впръскване би било доста полезно, малко вероятно е той да бъде адаптиран за работа с природен газ, защото въпросното директното впръскване (което все пак рядко ще се използва) доста увеличава себестойността му. В края на краищата търсеният ефект е създаване на по-бюджетно изгоден автомобил. И все пак версиите на VW работещи на CNG използват базовия 1,4 литров мотор именно с директно впръскване…
Източник:
http://www.ams.bg/content/kakvo-se-sluchva-s-dvigatelite-kogato-rabotyat-na-priroden-gaz-014344
