Попутный газ
«Бензиновые пессимисты» слушают и усмехаются. Газ летуч – поэтому в машине начнет, извините, вонять. Вдобавок мощность снизится, динамика «сядет». Мало того, баллон отбирает в багажнике драгоценное место у мешков с картошкой. А самое обидное – без бензина все равно не обойтись: не то что зимой, но даже прохладным летним утром на газе мотор не пустить! Да и температурная нагрузка на детали двигателя, потребляющего газ, выше – под угрозой ресурс?
Чьи аргументы сильнее? Мы сделали арбитром реальный мотор, установленный на тормозном стенде с измерительной аппаратурой. Ведь только выполнив полностью идентичные программы испытаний – сначала на бензине, потом на газе – можно твердо сказать, кто прав: оптимисты или пессимисты.
КАРБЮРАТОРНЫЙ НА СЖИЖЕННОМ
Мотор выбрали карбюраторный – не секрет, что основными потребителями газа остаются небогатые владельцы древних машин. Да и монтаж такой аппаратуры проще, не надо возиться с электроникой. Но главное – на карбюраторном моторе легче оперативно изменить как состав смеси, так и угол опережения зажигания. А при испытаниях это очень интересно!
Поскольку легковые и развозные автомобили потребляют главным образом сжиженный газ, им и займемся.
Комплектом итальянской топливной аппаратуры LOVATO оснастили стендовый двигатель ВАЗ-2108. Регулировка несложная – два небольших вентиля дозируют подачу газа в первичную и вторичную камеры. Пользуясь газоанализатором, выставили состав смеси, угол опережения сдвинули вперед – с учетом повышенного октанового числа газа. Оборудование с монтажом обошлось в 12 тыс. руб. – само собой, нас заверили, что затраты быстро окупятся. Насколько быстро, зависит от режима «езды».
Что ж, можно «ехать»! Но прежде мотор потрудился на бензине, чтобы впоследствии сравнить ресурсные показатели на разных видах топлива. Сначала его разобрали, взвесили на аналитических весах поршневые кольца и вкладыши подшипников. Изменение массы этих деталей расскажет нам о скорости износа двигателя. Затем мотор собрали, обкатали на стенде, заменили масло. В отдельную емкость взяли его пробу – для химического анализа. Впоследствии пробы масла брали еще несколько раз, чтобы отследить темп его старения как на бензине, так и на газе. А дальше – те самые ускоренные испытания. На фиксированных режимах заставили мотор отпахать 50 моточасов – это примерно 4000 км пробега. Основную часть режимов (а всего их – двадцать) подобрали такими, при которых износы будут значимыми – с большой нагрузкой и низкими оборотами. Оценили экономичность, измерили токсичность и температуры отработавших газов и, естественно, построили кривую зависимости крутящего момента от частоты вращения при полном дросселе (внешнюю скоростную характеристику двигателя). Завершив испытания, мотор разобрали, запротоколировали состояние деталей, снова взвесили кольца и вкладыши. Итак, база отсчета есть – теперь повторим ту же программу на сжиженном газе.
ОБРЕТЕНИЯ И ПОТЕРИ
Ответы на утверждения оптимистов и сомнения пессимистов стали вырисовываться быстро. Но обо всем по порядку.
Пустить непрогретый мотор на газе не удалось… И это – в теплой лаборатории, причем не от аккумулятора, а от стенда с мощным электродвигателем (!). Иными словами, холодный пуск – только на бензине. А вот горячий мотор пускался на газе с первого тычка.
Почему так? Вспомним теорию: давление насыщенных паров (тот параметр топлива, который отвечает за пусковые свойства) у газа многократно ниже, чем у бензинов. Потому у аппаратуры и предусмотрены два режима: газовый и бензиновый!
Цена сжиженного газа на АГЗС порадовала: 12 с полтиной за литр – в два раза дешевле, чем бензин… Заправляемся и начинаем «ездить».
Полный баллон газа, заявленный как 42-литровый, но вмещающий реально 38 литров (оставлено место на «паровую подушку»), был выработан на фиксированном режиме аналогично бензиновому «пробегу». Газа в нем хватило примерно на 450 км. До полной наработки, требуемой для проверки ресурса, таких баллонов пришлось выработать почти десяток. Контрольные замеры принесли похожие результаты. Много проехали? Но ведь в пробках мы не стояли, не ускорялись и не тормозили: следовательно, двигатель работал наиболее экономично. Заправка одного баллона обходилась в среднем в 465 руб.; получилось, что 1 км пробега в умеренном режиме стоил 1 руб. с тремя копейками.
Сравним с бензином: бака 95-го по 24,5 руб. за литр хватало при том же режиме на 830 км. То есть на каждой бензиновой заправке мы «проезжали» примерно вдвое больше, но топливо обошлось примерно вдвое дороже. Стоимость 1 км пробега составила 1 руб. 18 коп. – то есть возросла на 15%.
Что ж, какая-то экономия есть, но ведь главное – окупить затраты на оборудование. Подтверждаем вывод, многократно озвученный до нас: чем больше ездишь, тем скорее переход на газ себя оправдает. А если только по выходным кататься на дачу, тогда плакали ваши денежки: газ – для солидных цифр на одометре!
Пробег на одной заправке сократился аж на 80%, но это вполне понятно. По теплотворной способности пропан-бутан даже чуть превосходит бензин, зато по плотности почти вдвое ему уступает. Плюс та самая паровая подушка в баллоне, без которой безопасность не гарантирована. Вот и получается, что одна полная заправка газом дарит автомобилю вдвое меньше джоулей, чем бензиновая.
С экономикой более-менее ясно. А что с динамикой, мощностью? При штатной регулировке состава смеси, предложенной установщиками, мотор на полном дросселе выдавал крутящий момент, уступающий «бензиновому» примерно 5–7%. Однако работал он мягче, без намеков на детонацию: проявило себя более высокое октановое число газа. Значит, есть резерв по углу опережения – ладно, потом попробуем…
Почему проиграли в мощности – ведь состав смеси на внешней характеристике, судя по показаниям газоанализатора, на обоих топливах был близким? А потому что скорость сгорания пропан-бутановой газовоздушной смеси ниже, чем бензовоздушной: вот мотор и ослабел.
ЧЕМ ПАХНЕТ ВЫХЛОП
Нередко приходится слышать, будто переход на газ – магистральный путь к решению всех экологических проблем. Наш эксперимент дал более уравновешенный ответ. Действительно, по оксидам углерода (СО) и азота (NO x) снижение токсичности было существенным. Но заплатили мы за это резким увеличением выхода остаточных углеводородов.
Полученные результаты легко объяснимы. К примеру, содержание СО упало, потому что обеднили смесь. А то, что процесс сгорания пошел более вяло, привело к уменьшению выхода окислов азота. Но одновременно и уровень СН поднялся – то на то и вышло… Подобное противоречие между различными токсическими компонентами отработавших газов, СН и NO x давно известно двигателистам.
Впрочем, есть серьезное «но»! Результаты получены при штатных регулировках состава смеси, но почему бы не поменять их? Так и сделали; о результатах – чуть ниже.
СГОРЯТ ЛИ КЛАПАНЫ?
Козырная страшилка «газовых пессимистов» – сильнее нагреваются клапаны! А вдруг прогорят? Прояснить ситуацию поручили термопаре, командированной в приемную трубу глушителя. Ведь температура отработавших газов напрямую зависит от температуры выпускных клапанов: если она существенно повысится – жди беды. И тогда – приговор газу без права обжалования…
Но термопара нас успокоила: да, температуры на выпуске подросли, и это – еще одно свидетельство снижения скорости сгорания топлива. Но рост оказался не столь существенным – процентов на 10–12. Много это или мало? Скажем так: немного! Тем более что на номинальные обороты с полностью открытым дросселем «газовый» народ обычно не выходит – это топливо для более уравновешенного контингента. А вот если бы выходил, то можно было бы ждать всякого: лишние 70–80 градусов могут стать критическими.
Вывод: клапаны обычного мотора не почувствуют, что мотору поменяли топливо, но только при одном условии – работать на газе спокойненько, не перегружая мотор и не претендуя на победы в светофорных гонках.
О МАСЛЕ И ЖЕЛЕЗЕ
От «страшилок» – к «завлекалкам». Правда ли, что маслу становится лучше, когда мотор потребляет газ вместо бензина? Для ответа сделали химические анализы проб масла, отобранных из поддона мотора на различных стадиях испытаний. Масло было, кстати, малоресурсное – простая минералка 10W-40.
Главные признаки старения масла – изменение вязкости, уменьшение моющей способности (о чем говорит падение щелочного числа), а также повышение содержания продуктов окисления и загрязнений. Так вот, если после цикла испытаний на бензине вязкость упала на 17%, то по окончании газовых пыток она практически не изменилась. Промежуточные пробы эту тенденцию подтвердили. Зато щелочное число после газа упало сильнее, а кислотное больше выросло – стало быть, моющие присадки работают активнее, а потому их ресурс уменьшился.
Визуально было заметно, что масло после работы на газе осталось более чистым. Это же подтвердили результаты так называемой капельной пробы – диспергирующая способность масла едва изменилась по сравнению с начальной пробой, тогда как после бензина она упала на 9%.
Почему так? Полагаем, сказалось отсутствие таких факторов, как разжижение масла бензином и загрязнение продуктами его неполного сгорания. Но не стоит забывать, что результат получен в стендовых условиях, идеальных для мотора. В реальной эксплуатации с холодным пуском на бензине эти эффекты могут быть гораздо слабее. Ведь основное количество бензина попадает в масло именно на пусковых режимах – на них он либо не горит, либо горит плохо! А почему после газа сильнее упало щелочное число и больше выросло кислотное? Потому что процессы окисления углеводородов масла пошли шустрее, а они сильно зависят от температуры.
Вывод: видимый эффект присутствует – масло осталось более стабильным по вязкости и чистым, однако пакет присадок начал срабатываться быстрее.
При переходе на газовое топливо потеря массы контрольных деталей уменьшилась, причем существенно: поршневых колец – процентов на 35–40, вкладышей подшипников – на 45–50. Причин – две. Ускорению износа в основном способствуют нагрузки, близкие к ударным, а сгорание газа идет мягче, чем бензина. Кроме того, само масло при работе на газе более стабильно и менее загрязнено.
Но все ли так лучезарно? Отнюдь нет! Температуры-то возросли, пусть и не столь существенно. А значит, скорость термомеханического разрушения деталей увеличилась. Выходит, износы уменьшаются, а вот срок службы особо нагретых деталей – клапанов, поршней, седел клапанов – может и сократиться. А потому считать, будто ресурс двигателя увеличивается пропорционально снижению скорости износа, здесь неправильно. Конечно, замена вышедшей из строя детали – еще не «капиталка» мотора, но все же неприятно…
ПРОИЗВОЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ
Теперь попробуем поиграть с составом смеси и с опережением зажигания. Результат увидим сразу, причем не на холостом ходе, а на любом эксплутационном режиме.
Задача номер один – «вытащить» остаточные углеводороды. Получилось! Подобрав дозировку подачи газа в первичную и вторичную камеру, нам удалось снизить содержание СН почти в два раза! Цена – существенное падение мощности, процентов на 15–20. Выбирайте, кому что ближе…
А если компенсировать эту утрату более ранним зажиганием? Сдвинули угол на 5 градусов, потом – на 10… И тут выяснилась еще одна особенность газового двигателя – чувствительность его к этой регулировке куда меньше, чем бензинового. Мы лишь смогли чуть-чуть приблизиться к моментной кривой бензинового варианта, причем только на штатном составе смеси! А при измененном составе компенсировать потерю мощности так и не удалось. Так и должно быть: чем медленнее идет процесс сгорания, тем меньше он реагирует на опережение зажигания.
НУЖЕН ЛИ ГАЗ?
Так выгодна ли «газировка»? Подводя итог, сделаем свои выводы.
Экономический эффект от перевода мотора на газ ощутим только при постоянном и длительном его использовании. Мы считаем, что это оправдано для тех, кто накатывает 40–60 тыс. км в год. Для дачника-«подснежника» никакого смысла в этом мероприятии нет, даже при сохранении двукратной разницы в цене между бензином и газом. А кто может дать гарантию сохранения ценовой политики «газовых королей»?
С экологией тоже не все однозначно. Существенное улучшение состава отработавших газов по СО и NO x компенсируется большим повышением выхода остаточных углеводородов СН. А по зловредности они сопоставимы.
Автономность «газового» полета неудовлетворительна: двукратное уменьшение пробега на одной заправке, по сути, означает зависимость от «газового крана». Для городского транспорта это неважно, а для дальних заездов может составить проблему.
В общем, прежде чем переходить на «газировку», хорошенько подумайте. А если описанные испытания вам помогут, значит, мы работали не зря.
Гарантированный пуск холодного мотора возможен только на бензине.
Экономия от перевода мотора на газ ощутима только при постоянном и длительном его использовании. Для дачника-«подснежника» никакого смысла в этом мероприятии нет.
Переход на газ сопровождается как снижением уровня СО и NОx, так и резким увеличением содержания СН.
СЖИЖЕННЫЙ И СЖАТЫЙ
В качестве топлива для автомобилей используют сжиженный нефтяной газ (СНГ) и сжатый природный газ (СПГ), который еще называют компримированным (КПГ). Сжатый перспективнее: в России природного газа очень много, и он относительно дешев. А вот ресурсы сжиженного ограничены – кроме того, он служит ценным сырьем для химической промышленности.
Основные компоненты сжиженных газов – пропан и бутан. Их критические температуры (+97°С и +126°С соответственно) выше обычных температур окружающей среды, поэтому при небольшом давлении (без охлаждения) газ можно перевести в жидкое состояние. Баллоны рассчитаны на рабочее давление 1,6 МПа. Чтобы баллон не разрушился вследствие объемного расширения, в нем предусматривают паровую подушку объемом не менее 10% полезной вместимости. Расчетное октановое число (ОЧ) – около 100 единиц.
Поскольку нефтяные газы обычно лишены запаха и цвета, обнаружить их утечку очень трудно. Поэтому в состав СНГ добавляют одоранты, обладающие сильным запахом. В сжиженных газах для автотранспорта по техническим причинам может содержаться некоторое количество масла, поступающего из компрессоров и насосов.
Основные компоненты сжатых газов – метан СН 4 (как правило, более 90%), монооксид углерода СО и водород Н 2. Основной компонент природного газа – метан (95–99 %) – характеризуется критической температурой минус 82°С, и при нормальных температурах (даже при высоком давлении) не может быть сжижен. Поэтому газобаллонные установки рассчитаны на хранение газа при высоком давлении – до 20 МПа. По мере расходования газа в баллоне непрерывно уменьшается рабочее давление – при этом его температура резко снижается (эффект Джоуля–Томсона). Отсюда – необходимость тщательного обезвоживания газа при компримировании и подогрева газовых редукторов во избежание закупорки системы льдом.
Расчетное ОЧ – не менее 105.
Потери мощности двигателя при переходе на газ практически неизбежны.
51879