Степень сжатия двигателя под газ

Дорогие комрады!
Давно вынашиваю идею о переводе своего УМЗ 421 на газ. Делается это сугубо по финансовым побуждениям. Цены на бензин АИ-92 и природный газ ни для кого не секрет, поэтому подробно останавливаться на этом вопросе не буду. Так же слегка напрягает «качество» нашего бензина. Всё ж, надеюсь, подмешивать свои чудо присадки в газ производители пока не торопятся. Что, возможно, благотворно скажется на работе двигателя.
Итак, немного предыстории. Имеется УМЗ 421 в карбюраторной версии. Собственноручно мной переведённый на Аи-92. И система микропроцессорного зажигания «майя». Вещь, конечно, интересная, но с характером. Основным её преимуществом является возможность изменения калибровок, что называется «на лету» и хранения в памяти 4 наборов калибровок: две на газ и две на бензин. Переключаются наборы либо тумблерами, либо датчиком на газовом клапане. Но не в этом суть. Главное что с переходом на газ перенастроить зажигание для меня не составит никакой проблемы.
Переход на 92 бензин лично у меня никаких технических проблем не вызвал и в целом произведёнными переделками я доволен.
Теперь вот встаёт такой вопрос. Октановое число природного газа в разных источниках заявляется примерно 100 – 105. И возникает мысль этим воспользоваться. Увеличить степень сжатия до 11 – 12 единиц.
В своих дальнейших рассуждениях я буду опираться на данную статью:
http://icarbio.ru/articles/vlijanie-stepeni-szhatija.html .

Если верить вышеприведённой статье, при увеличении степени сжатия можно добиться некоторой экономии топлива. За счёт повышения КПД двигателя.
При простом переходе на газ (без увеличения степени сжатия) газо – воздушная смесь горит медленнее бензо – воздушной. Значит больший по времени процесс горения частично приходиться на так сжатия, где он не производит никакой полезной работы и частично на такт расширения, где собственно и производиться полезная работа. Обладатели газифицированных машин часто жалуются на прогоревшие клапана. Мне кажется, что это так же является следствием слишком долгого горения смеси, при котором выделившаяся тепловая энергия не может полностью преобразоваться в механическую и просто выбрасывается через выпускной клапан.
Опять же ссылаясь на статью:
«Зависимость КПД η теоретического цикла от соотношения долей топлива, сгоревшего при постоянном объёме V и давлении p, показана на рис. 3. Если сгорает 100 % топлива при постоянном объёме, то достигается максимальное значение КПД. Если 100 % топлива сгорает при постоянном давлении, то этот КПД минимален, так как топливо, которое догорает в процессе продолжительного расширения, для совершения работы имеет в своем распоряжении только малую часть пути, проходимого поршнем. Падение КПД особенно заметно, если при постоянном объеме сгорает менее 60 % топлива.»
Нам, получается, невыгодно «размазывать» процесс горения по времени. А куда как выгоднее уместить его в период, когда поршень наиболее близок в ВМТ. В это время горение будет происходить при условно постоянном объёме. Именно увеличение степени сжатия (а значит давления и температуры) должно привести к ускорению химической реакции, коей и является горение топлива.

Следующий момент, дросселирование воздуха во впускном трубопроводе бензинового двигателя при частичной нагрузке приводит к тому, что давление конца сжатия в цилиндре значительно снижается. Это хорошо показано на рис.4, приведённом в статье. В левой его части представлена зависимость для двигателя со степенью сжатия 8,5, а в правой с 12,5.
«При большом дросселировании заряда во впускном трубопроводе значение реальной степени сжатия падает до ε = 3,5 [для двигателя с ε = 8,5] … При малой нагрузке [в двигателе с ε = 12,5] реальная степень сжатия повышается на 2,5 единицы [относительно двигателя с ε = 8,5], что соответствует улучшению КПД на 10 %.»
Получается в двигателе, с большей степенью сжатия при одинаковом дросселировании, горение смеси происходит быстрее и соответственно большая часть тепловой энергии переходит в механическую. Что в свою очередь снижает расход топлива на малых и средних нагрузках.
Ну и третье. В двигателях используют смесь близкую к стехеометрической. С лямбда около 0,9. Это обуславливается не только качеством сгорания смеси, но и тем что слишком обеднённую смесь намного труднее поджигать. Не помню первоисточник, где приходилось читать, но в нём утверждалось, что с увеличением давления можно очень сильно обеднять смесь без потери её свойств к воспламенению и горению. Если другим языком, то увеличивая степень сжатия можно уменьшать лямбду смеси. Особенно в области режимов полного открытия дросселя. Что, по идее, должно ещё сэкономить нам немного топлива.

Предвидя Ваши вопросы, уточню, что подачей газа в моём двигателе при установке ГБО будет не карбюратор, а отдельный контроллер с обратной связью по лямбда-зонду. Что позволит варьировать состав смеси по моему желанию.
А для запусков и прогревов двигателя можно раскошелиться и на 95 – 98 бензин, благо ездить на нём не планируется и расходы не должны сильно увеличиться.

Вот собственно и вопрос: прав я, собираясь стачивать ещё немного ГБЦ приближая степень сжатия к 11 – 12 единицам, или ну его нафиг?
Затратами на работы можно пренебречь, благо есть где и когда сделать всё самому. По технологии, методам измерений объёмов камеры сгорания и расчётов толщины снимаемого слоя с ГБЦ у меня то же вопросов нет.
Заморачиваться или нет? — вот в чём вопрос! :confused: Может там такие подводные камни, что я потом за новой стандартной ГБЦ пойду, чтоб вернуть всё как было.

Степень сжатия ДВС для пропана ?

Вообщем ремонтирую ГБЦ (прокладка дала течь — тосол пошел в масло) на своей Ниве 21214 — 1,7 инж.
Головка снята и готова к фрезеровке. А в виду того что на луце давно не езжу решил поднять степень сжатия под пропан. Для прогрева использовать планируется 98ой бензин — благо его в Уфе хватает.
Сейчас степень сжатия 9,3 бензин 92ой. Какова оптимальная степень сжатия для пропана будет для этого двигателя ?

Ваши мысли — ссылки и прочие умные слова приветствуются. На днях отдам на шлифовку — вопрос на скока мм снять еще открыт.

офф. про бензин слышал, что никто не делает 98 бензин, а добывает его прибавляя присадки к 95-му. Если бензин изпользовать редко (для прогрева), но он в баке нужен литров 20-30 (чтобы насос нормально охлаждался), то получается он долга будет в баке плескатся и «порится» = разлагатся на составляющие химия-бензин. Потому лучше заправлятся 95 маркой, так как это уже конечный продукт.

К слову, 98 бензин и так не очень, так как его берут мало и он долго стоит в колонке. А 95-ый завозят каждую неделю и он всегда свежий.

Re: Степень сжатия ДВС для пропана ? насколько я знаю, для спиртовых топлив типа Е85 с октановым числом 105 делают степень сжатия до 1:13, и она считается вполне безопасной.

вот нашел такой график — но не ручаюсь за правильность.

насчет графика я как раз не уверен, а вот насчет степени сжатия 13:1 для спирто-бензиновой смеси Е85 с ОЧ 105, как и у пропана, упоминается везде и помногу.

но возможно еще влияет одно свойство спирта — он очень сильно охлаждает камеру сгорания при испарении, тем самым снижая порог детонации.

а пропан подается в коллектор уже испаренный.

Где-то читал, что рекомендуют повысить компрессию до 14-15. Степень сжатия при этом где-то должна быть 9.2, но я не уверен. Нужно почитать. Здесь вроде об этом http://psa-club.ru/dvigateli/o-kompressii-i-stepeni-szhatiya.html

И еще, я себе так хотел сделать, но у меня и так клапаны почти в поршни упираются, особо и не сфрезеруешь. Я даже подумывал про установку прибылей. Но как сделать их абсолютно одинаковыми, и при этом, чтобы они не потоваливались пока не придумал.

На голубом газу

Последние, конечно, совершенствуются, но дорожают и к тому же чрезвычайно чувствительны к сере. Удаление ее из бензина или дизтоплива — сложный и, опять же, дорогой процесс.

А вот метан — тот, что идет из скважин и по трубам попадает на наши кухни, прост: СН4 и ничего больше. Он сгорает в цилиндрах, выполняя нормы Евро IV. Конечно, окислы азота образуются, куда без них, если воздух на четыре пятых — азот! Зато не надо мучиться с сажей, серы тоже нет, нейтрализатор получается относительно дешевым и долговечным. В выхлопе на четверть меньше СО2 — смягчается влияние на климат, автомобиль вносит на 80% меньшую лепту в образование смога. Да и цена газа, несмотря на его подорожание, крайне привлекательна.

На Западе давно поняли эти преимущества и вовсю развивают «газовую» инфраструктуру. Причем так называемый «автогаз» (пропан-бутан или сжиженный) уходит в историю. Ведь это, опять же, продукт переработки нефти, содержащий массу сложных углеводородов. Он дешевле бензина, но ничуть не экологичнее.

В Европе килограмм метана (по энергонасыщенности это около 1,5 л бензина) стоит 67 центов. В пересчете — 47 центов за 1 л вместо 1,2 «бензиновых» евро. Интересно, что правительство Германии обещает сохранить эту цену вплоть до… 2020 года, но ничего не гарантирует в отношении бензина и дизтоплива. Так стимулируют переход на газовое топливо.

КАКАЯ ВАЛЕНТНОСТЬ У «ОПЕЛЯ»?

Автомобили, способные работать на газе или бензине, корректно назвать двухтопливными. В Европе прижился термин «бивалентные», хотя встречаются и слова «бифьюэл», «бипауэр». А вот «моновалентными» называют лишь авто, потребляющие исключительно газ. Хотя, строго говоря, все их бензиновые собратья могут претендовать на то же звание. Точнее отражает суть дела придуманное ФИАТом слово «блюпауэр» (газ горит синим пламенем), да только в 2002 году такие «мультиплы» сняли с производства.

«Моновалентные» машины пока делает только «Опель». Посмотрим, что пришлось в них изменить.

Прежде всего, удалось сократить объем программного обеспечения управляющего впрыском контроллера, упростить и на четверть удешевить всю эту систему. Например, стала ненужной рециркуляция выхлопных газов с ее трубопроводами, клапанами, датчиками. От окислов азота теперь легко избавиться с помощью лишь лямбда-регулирования и «старенького» нейтрализатора. Кстати, ему хватило всего 4,2 мг платины на 1 смз набивки, да и ячеек раза в два меньше, чем нужно для бензинового мотора.

А вот форсунки разрабатывали заново. Во-первых, им работать при давлении топлива не 3,8, а 8 бар. Во-вторых, сечение перекрываемого канала больше — значит, необходимы соленоиды помощнее, которые тем не менее не перегружали бы выходные каскады контроллера.

Степень сжатия повысили до 12,8, поршни заменили более прочными — ведь давление в камере сгорания достигает 90 бар. Свечам тоже несладко: для надежного холодного пуска нужна мощная искра, быстро «съедающая» обычные электроды. Пришлось поставить «платиновые» свечи.

Усложнилась и самодиагностика в расчете на контроль газового хозяйства: давления и температуры в баллонах, разброса свойств самого газа (увы, он велик — до 15%). Если обнаружится опасный дефект, автомобиль… Нет, не заглохнет, он просто переключится на… бензин. Вот так моновалентность! Правда, 14-литровый бензиновый бачок служит лишь аварийным резервом. Кстати, для исключения детонации контроллер не позволит дроссельной заслонке открываться полностью. При температуре ниже —30°С для пуска подается бензин, но в остальных, неаварийных случаях — только газ!

Итак, газовый «Опель Зафира» обходится 5,3 кг газа на 100 км, что энергетически эквивалентно бензиновым 8 л/100 км. Учитывая стоимость килограмма метана — 67 центов, получаем выигрыш в 2,7 раза! Ради него можно пока смириться с запасом хода в 350 км, тем более что более прочные (и вместительные) серийные баллоны уже на подходе.

В отличие от отечественных руководителей, не слишком радеющих об окружающей среде, ни один западный политик не позволит себе усомниться в важности экологических программ. А какой козырь в предвыборных кампаниях! Вот и строят, например, по всей Германии газовые АЗС. В 1998 году их было 41, в 2004-м — уже 415, а в 2007-м откроются еще 600. Автомобилей же на метане сегодня у немцев 20 тысяч, у итальянцев — вдвое больше, а в Аргентине аж… 740 тысяч штук! «Поголовье» стремительно растет: по прогнозам, к 2010 году парк газовых авто Германии составит 360 тысяч машин.

Справедливости ради заметим: по Европе колесят еще 2,8 млн. автомобилей на сжиженном пропан-бутане.

Перечень фирм, собирающих газовые авто на конвейерах, обширен (см. справку). Присоединилась к этой компании и «Хонда». «Сивик GX» для рынков США и Канады комплектуют даже портативным домашним компрессором, способным превратить личный гараж в газовую АЗС! Был бы только счетчик в доме, иначе это уже воровство.

Перечисленными марками список не исчерпывается, баллоны и аппаратуру можно установить практически на любой автомобиль. Вот только ездить он сможет «не очень» хотя бы из-за того, что степень сжатия стандартного мотора мала для эффективной работы на газе. В «бивалентных» авто стараются максимально использовать достоинства газа, сохранив возможность нормальной езды на бензине. Например, несколько повышают степень сжатия и рекомендуют только высокооктановый бензин. В контроллер зашивают две программы, чтобы приблизить режимы впрыска для газа и бензина к оптимальным. Пример — «Мерседес-Бенц Е200 NGT», не только самый мощный легковой «газенваген», но и не теряющий мощность и динамику при работе на газе. Тем не менее такие машины, вероятно, уйдут в прошлое, как только сеть газовых заправок станет разветвленной, а «бензиновый режим» будет просто не нужен.

В СССР начало использованию газа как моторного топлива положило постановление Совнаркома от 1936 года. Однако закон о массовой газификации российского транспорта не принят и поныне, застряв на бесконечных согласованиях. Ни один завод не развернет серийное производство газовых автомобилей, пока не будет спроса. Его сдерживает неразвитость сети дорогих заправок — никто не возьмется строить их ради пары тысяч машин.

Впрочем, желающих переоборудовать автомобиль уже немало. Для них трудятся небольшие фирмы. Переделать ВАЗ на газ можно примерно за 26 000 рублей, так что эта операция выгодна лишь при больших пробегах.

ГАЗ адаптировал карбюраторные (но не впрысковые!) автомобили для пропан-бутана. На ВАЗе готовят к серии «десятки», приспособленные для работы на метане (ЗР, 2001, № 2) с унифицированной системой питания. Программное обеспечение использует штатные узлы впрыска бензина (контроллер, датчики и др.) и позволяет корректировать подачу газа в зависимости от давления и температуры, согласуя работу с системой контроля утечек. Топливо впрыскивают бензиновые либо газовые форсунки. То есть автомобиль — «бивалентный». Для перехода с бензина на газ и обратно водитель нажимает кнопку. При холодном пуске или если кончится газ, двигатель перейдет на бензин автоматически.

Запланирована и разработка «моновалентного» (однотопливного) двигателя, оптимизированного для питания газом, как у «Опеля». Для сохранения объема багажника и увеличения запаса хода на одной заправке предполагают перенести баллоны под пол кузова и закачивать в них газ под давлением не 200, а 320 бар. В этом автомобиле степень сжатия можно будет поднять до 12,5, чтобы получить максимальную отдачу от экологически чистого топлива.

Но ответ на вопрос, быть или не быть серийному российскому газобаллонному автомобилю, надо искать не в Тольятти, а в центре Москвы: все зависит от законодателей! Именно благодаря им в Западной Европе вовсю идет «газовая атака».

БЕНЗИНА ЕЩЕ НЕ БЫЛО…

Самобеглая повозка — «Гиппомобиль» была создана задолго до Бенца Жаном-Этьеном Ленуаром. Ее двигатель на газе развивал 1,5 л.с. при 100 об/мин. В 1862 году машина проехала 18 км от Парижа до Жанвилля за каких-то три часа. Какой газ сгорал в единственном цилиндре? В то время дома освещали так называемым светильным газом — его получали из каменного угля. Основные компоненты — все тот же метан (около 30%), водород (50%), СО (9%). Выходит, газовая повозка Ленуара — это первый в мире «водородомобиль».

Серийные «бивалентные» европейские автомобили

Легковые: «ФИАТ-Пунто Нейчурэл Пауэр», «ФИАТ-Мультипла Бипауэр», «Опель Астра 1.6 CNG Караван», «Опель Зафира 1.6 CNG», «Мерседес-Бенц Е200 NGT Компрессор», «Пежо Партнер Бивалент», «Ситроен Берлинго Мультиспейс 1.4 GNV», «Рено Кангу GNV», «Форд Фокус 1.8 CNG», «Вольво Би-Фьюэл» (в версиях S60, S80, V70), «Фольксваген Гольф Вариант 2.0 Би-Фьюэл».

В 2005-м появятся: «Опель-Комбо CNG» и «Форд Фокус С-max», в 2006-м — «Volvo V50» и S40, «Фольксваген-Туран» и «Фольксваген Кэдди».

Легкие грузовики: «ФИАТ-Дукато Би-Пауэр», «ФИАТ-Добло Би-Пауэр»; «ИВЕКО-Дейли CNG», «Форд-Транзит GFI-II-CNG 2,3l», «Мерседес-Бенц Спринтер NGT» и «Эконик NGT», «Пежо-Боксер Бивалент» и «Партнер Карго Бивалент», «Ситроен-Джампер Бивалент» и «Берлинго Карго Бивалент», «Фольксваген Транспортер Т4».

Чем плох метан? Даже если сжать его до 200 бар, потребуется вчетверо больший, чем у бензобака, объем баллонов, чтобы сохранить запас хода. Правда, для водородомобилей уже сертифицированы баллоны, выдерживающие 700 бар. Еще немного, и этот недостаток метана преодолеют.

Метан легче воздуха, поэтому в случае утечек улетучивается. Это позволяет парковать автомобили даже в подземных гаражах, в отличие, например, от работающих на пропан-бутане. Последний скапливается внизу, образуя взрывоопасную и токсичную смесь. По оценкам экспертов, именно природный газ — самое безопасное топливо. Скажем, по статистике ДТП в США в 98 000 аварий не отмечено возгорания автомобилей с газовыми баллонами.

При работе на метано-воздушной смеси мощность мотора ниже на 10–15%. Но октановое число газа — 115–130, значит, можно отыграть лошадиные силы, спроектировав двигатель под метан или хотя бы увеличив опережение зажигания градусов на семь.

Но ведь к газовой АЗС должна подходить труба — например, из России. То есть сеть заправок не сможет достичь такой же плотности, как для жидкого топлива.

Зато сюда не нужно гонять громоздкие цистерны. А если будет команда переходить на водород, не придется радикально менять оборудование ни газовых заправок, ни автомобилей — H2 прекрасно горит в цилиндрах ДВС.