Бинарное топливо бензин пропан в авто
Экономия топлива. ГБО
В теории газа расходуется на 20% больше чем бензина, на практике больше. Экономия по деньгам при переходе с бензина на газ обычно не превышает 30%, хотя установщики ГБО и обещают 40-50%. Но даже 30-процентная экономия на практике оборачивается преждевременным ремонтом двигателя, хотя опять же в теории двигатель на газу должен изнашиваться меньше чем на бензине. Виной тому само газобаллонное оборудование, которое на большинстве газифицированных тележек относится к устаревшему второму поколению. Второе поколение ГБО осуществляет подачу газа во впускной коллектор через смеситель. При этом, количество подаваемого газа определяется разрежением за дроссельной заслонкой, что не способствует приготовлению оптимальной смеси на многорежимных двигателях автомобилей. Несомненно более современные электронные комплекты ГБО четвертого поколения работают лучше, но газ все равно уступает бензину, поскольку сгорает дольше и дает меньше тепла.
Таким образом, вопрос установки ГБА на автомобиль до сих пор остается спорным, особенно с учетом повышенного риска для жизни, автоматически возникающего после установки газового баллона. Сколько не заклинай, что газовый баллон менее опасен чем бензобак, практика говорит об обратном. Взрывы баллонов происходят гораздо чаще чем взрывы бензобаков. К тому же газовые авто периодически стреляют и неприятно пахнут. Последнее конечно на любителя.
У ГБО второго поколения только одно достоинство — простота, остальное — недостатки. Один из главных недостатков – бесполезное потребление газа при торможении двигателем. Вы отпустили педаль акселератора, за дросселем возникло сильное разрежение, газовый редуктор увеличил подачу газа. Но на время торможения газ то как раз совсем не нужен, он только зря улетает в выхлопную. В карбюраторах для временного перекрытия бензина используется специальный электроклапан, но в составе ГБО такого клапана нет. А надо. Установите клапан, и расход газа по городу ощутимо уменьшится. Чего уж проще?
Отдельная тема — регулировка газового редуктора. Водители считают, что этим должен заниматься специалист по ГБО, но тогда нужно ездить к этому спецу раз в квартал, а не раз в пять лет. Мало того, редуктор желательно подстраивать после каждой заправки, поскольку качество пропана не нормируется. А если вы часто ездите по трассе, желательно вывести регулировку в кабину.
Достоинство такой системы в том, что ЭБУ автомобиля будет следить за составом выхлопных газов. В итоге недостаток или избыток газа будет компенсирован строго определенным количеством бензина, и топлива в двигателе окажется ровно столько, сколько нужно двигателю. Бинарное топливо дает следующие преимущества:
1. Экономия бензина более 10%
2. Повышение тяги двигателя (тяга лучше чем на одном газу или одном только бензине)
3. Плавная работа двигателя
4. Улучшенный пуск, особенно в мороз
5. Увеличение ресурса
6. Увеличение пробега от заправки до 1000 км.
По затратам на ГСМ машина может конкурировать с чисто газовыми авто, по зтратам на ТО вы выиграете значительно. К тому же упрощается эксплуатация — не нужно переключаться с бензина на газ и обратно, не нужно подстраивать редуктор.
Управление составом бинарной топливной смеси для улучшения крутящего момента и экологических параметров двигателя внутреннего сгорания
В настоящее время одной из основных задач, стоящих перед конструкторами бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является снижение вреда, наносимого продуктами работы двигателя окружающей среде и улучшение потребительских свойств ДВС, включающих снижение расхода топлива, увеличение мощности, надежности конструкций и т.д. Однако, зачастую эти требования оказываются взаимоисключающими. Например, при увеличении мощности, увеличивается и количество отработавших газов, а, следовательно, и количество вредных выбросов. Справедливо и обратное, чем экономичней и экологичней ДВС, тем меньшая мощность оказывается в распоряжении водителя. Для того чтобы «разорвать замкнутый круг», многие ученые исследуют характеристики ДВС при использовании альтернативных топлив и их смесей. В работе [1] было показано, что использование топлива, состоящего из смеси бензина со сжиженным газом (пропан-бутаном), названного бинарным, имеет перспективы как по улучшению мощности и крутящего момента двигателя, так и снижения нагрузки на окружающую среду. Однако остался нерешенным вопрос определения состава бинарной топливной смеси для различных режимов работы ДВС, которые бы обеспечивали необходимые параметры в зависимости от потребностей водителя.
Поэтому целью настоящей работы было изучить мощностные и экологические параметры бензинового ДВС при подаче бинарного топлива с различным соотношением газ/бензин для выявления составов, обеспечивающих максимальные показатели крутящего момента и экологичности.
На основании полученных данных можно предложить мощностной состав бинарной смеси, зависящий от оборотов коленчатого вала:
Данный состав используется при 70-100% нажатии водителем на педаль газа и обеспечивает максимально возможный крутящий момент двигателя, а значит возможность для безопасного обгона или перестроения. При этом наряду с возросшим крутящим моментом, должно наблюдаться также и снижение вредных веществ в отработавших газах, поскольку во всем диапазоне оборотов часть бензина заменена более экологичной смесью пропана и бутана.
В режиме частичных нагрузок предлагается использовать менее мощностную, но еще более экологичную смесь состава L =20/80. Небольшое количество бензина, подаваемое в фазе перекрытия клапанов необходимо для охлаждения выпускного клапана, перегревающегося при использовании чистого газа.
Рис. 1. Крутящий момент ДВС в зависимости от состава бинарного топлива
Проведенное исследование показывает преимущество бинарного топлива, состоящего из смеси бензина и сжиженного газа по мощности и крутящему моменту в режиме максимальных нагрузок как по сравнению с бензином, так и по сравнению с чистым газом во всем диапазоне оборотов вращения коленчатого вала. Кроме того, бинарное топливо обеспечивает лучшие экологические показатели по сравнению с бензином за счет замещения его части более экологичным сжиженным газом. Предложено использование бинарного топлива в режиме полных нагрузок, для которых приведен состав, обеспечивающий максимальный крутящий момент, и использование сжиженного газа в режиме частичных нагрузок, что позволяет улучшить экологические параметры ДВС.
1. Береснев М.А. Использование бинарного топлива для двигателя внутреннего сгорания / М.А. Береснев, А.Л. Береснев // Материалы Шестой Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы управления» и Третьей молодежной школы-семинара «Управление и обработка информации в технических системах». – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. – С. 398-401.
Обратно на бензин: почему перевод машины на газ превращается из выгоды в абсурд
Опасения перерастают в реальность: уже весной этого года цены на пропан-бутан достигли точки невозврата, когда ездить на газе стало примерно так же дорого, как на бензине. Но лето продолжает подкидывать события, а что будет в конце года – и вовсе вопрос открытый. Давайте посмотрим, почему переводить машину на газ прямо сейчас – абсурдная затея и почему до этого дошло.
Что происходит с ценами на пропан-бутан?
Чтобы не ударяться в панику с самого начала, обозначим объективный факт: цены на пропан-бутан, или СУГ (сжиженные углеводородные газы) имеют высокую волатильность – то есть, значительно колеблются в течение года. Например, если взглянуть на весь 2020 год, то в январе средневзвешенная цена СУГ на Санкт-Петербургской Международной Товарно-сырьевой Бирже составляла 18,7 тысяч рублей за тонну, к апрелю упала ниже 9 тысяч рублей за тонну, а уже в июне подскочила почти до 32 тысяч. На фоне цен на бензин динамика невероятная: для сравнения, АИ-92 в 2020 году прошел путь от 46 до 36 тысяч рублей за тонну и обратно к 48 тысячам. То есть, «ковидная весна» смогла пошатнуть цену бензина на 20%, после чего она вновь отыграла позиции. Газ же тем временем сначала подешевел вдвое, а затем подорожал чуть ли не вчетверо. Нынешний год обновил рекорды: весной тонна сжиженного газа стоила более 36 тысяч рублей, а в начале августа достигла исторического максимума в 53,3 тысячи рублей.
Для розничных покупателей это означает рост цены литра топлива почти на треть с начала этого года и вдвое по сравнению с 2020. Год назад пропан-бутан стоил около 16 рублей за литр, но в начале этого года перевалил за 20 рублей. Сейчас же цены на СУГ сильно разнятся в зависимости от торговой сети: где-то можно встретить цены в 31-34 рубля за литр, а где-то они уже пробили новый потолок, достигнув отметки в 42 (!) рубля за литр. Ценники на газовых заправках порой переписываются по нескольку раз в неделю, прибавляя сразу по 3-5 рублей. Бензин на этом фоне – просто образец стабильности, ведь АИ-92 с начала года подорожал «всего» на 3,5 рубля, с 42 до 45,5 рублей.
Почему так вышло?
На самом деле цены на СУГ планомерно росли с начала лета. Причины были вполне обычными: сезонное повышение спроса и экспортные запросы. Но август смог побить рекорды не без посторонней помощи. Ключевую роль в нынешнем скачке сыграл пожар на заводе «Газпром добыча Уренгой», случившийся в ночь с 4 на 5 августа. В результате поставка газоконденсата с завода почти полностью остановилась, и до выхода на штатные объемы пока далеко. Правительство отреагировало на проблему распоряжением Минэнерго, которое постановило перенаправить на внутренний рынок около 40 тысяч тонн СУГ, которые были предназначены для экспорта. Но это, разумеется, не компенсирует те объемы, которые выдавал завод в Уренгое – более 200 тысяч тонн в месяц. В последнюю неделю принятые меры вкупе с постепенным увеличением поставок газа позволили переломить график, снизив цену тонны СУГ до 47 тысяч рублей. Однако гарантий того, что тренд на снижение будет стабильным, никто дать не может.
При этом динамика цены на пропан-бутан может быть абсолютно любой, оставаясь лишь в рамках рыночных условий. Государство по закону не участвует в регулировании цен и не ограничивает, например, предельную отпускную стоимость литра на заправке. Более того, в отличие от бензина, цена которого более чем на 70% состоит из акцизов и пошлин и за счет этого более стабильна, газ сильнее подвержен влиянию рынка, поскольку именно корреляция спроса и предложения формирует конечную розничную стоимость. Этим же объясняется и большой разброс розничных цен: если крупные игроки вроде Газпрома могут позволить себе продавать газ по 32 рубля за литр, то мелкие сети, изначально закупающие СУГ с наценкой, вынуждены устанавливать более высокие цены, вплоть до упомянутых 40-42 рублей за литр.
Что это означает для автомобилистов?
Потребительская математика довольно проста: пропан-бутан остается выгодным топливом до тех пор, пока стоит примерно вдвое дешевле бензина. Ведь более низкая стоимость топлива отчасти нивелируется более высоким расходом: в зависимости от современности газового оборудования, режимов эксплуатации, конкретной машины и других факторов потребление газа может быть на 15-30% выше, чем бензина. Исходя из этого, минимальный порог выгоды – около 70% от стоимости бензина, и сейчас он фактически пройден. Ведь даже если отбросить экстремумы в виде 40-42 рублей за литр газа и взять средний показатель в 32 рубля за литр, то при стоимости 92-го бензина в 45,5 рублей за литр цена газа составляет от него 71%.
Еще нагляднее картина становится, если посчитать стоимость километра пробега на разных типах топлива. Например, для автомобиля со средним расходом бензина в 10 литров на сто километров эти самые сто километров будут стоить 450 рублей, а цена одного километра пробега – 4,5 рубля. Если принять расход пропан-бутана в 13 литров, то при цене в 32 рубля за литр это дает 4,2 рубля за километр пробега. Если же расход составит 14 литров на сотню, то экономия исчезает полностью: стоимость километра пробега становится равна 4,5 рублям и на бензине, и на газе. Ну а повышение стоимости газа хотя бы на рубль приводит и вовсе к абсурдной ситуации, когда ездить на газе становится дороже, чем на бензине.
Если же принять во внимание не только затраты на топливо, но и прочие накладные расходы, то выгодность газа становится сомнительной уже сейчас. Например, баллоны имеют срок службы и со временем требуют замены, система нуждается в обслуживании редуктора, форсунок и других элементов, а также регулярной замене газового фильтра. Само собой, в перспективе заплатить пару тысяч за ремонт форсунок и пару сотен за фильтр – не проблема, но если добавить все эти затраты, включая очень редкие, но дорогие, в стоимость пробега за год или несколько лет, то результаты могут быть неожиданными.
Но сильнее всего подорожание СУГ сказалось на тех, кто установил ГБО совсем недавно или только планирует его установить. Стоимость комплекта газобаллонного оборудования с установкой колеблется около 50 тысяч рублей для обычного четырехцилиндрового мотора, а кроме того, еще несколько тысяч рублей нужно отдать за его регистрацию в ГИБДД с внесением пометок в документы. Таким образом, при прошлогодней цене газа в 18 рублей за литр против 45 у бензина и расходе в 14 литров на сотню можно было бы окупить установку ГБО за 30 тысяч километров, или за 2-3 года обычной эксплуатации. Повышение цены газа до 23 рублей в начале этого года растянуло окупаемость до 47 тысяч километров, или 3-5 лет. Ну а при розничной стоимости в 32 рубля за литр вложение 60 тысяч рублей в установку ГБО и вовсе превращается в бессмысленную затею, ведь экономя 300 рублей с тысячи километров пробега, окупить его попросту невозможно.
А что с метаном?
Бинарное топливо бензин пропан в авто
Применение сжиженного газа в качестве моторного топлива позволяет повысить экономичность и снизить токсичность отработавших газов, но при этом имеет значительный недостаток – снижение мощности и крутящего момента двигателя на средних и высоких нагрузочных режимах, вследствие более низкой теплотворной способности.
Одним из путей сохранения мощности и крутящего момента при работе двигателя на газомоторном топливе является подача определённой дозы бензина в газо-воздушную смесь, поступающую в двигатель [1].
Для оценки количества поступаемого в двигатель топлива был проведён расчёт цикловых подач двигателя, работающего на газе, бензине и на бензо-газовой смеси.
Были рассчитаны теоретические цикловые подачи двигателя работающего на бензине, газе и на бензо-газовой смеси:
— цикловой расход бензина подчиняется следующей зависимости;
— цикловой расход газа;
— цикловой расход бензина при работе на бензо-газовой смеси.
где n – частота вращения коленчатого вала двигателя (мин-1); gц – цикловая подача топлива (мг/цикл) [5].
На (рис. 1) представлены цикловые подачи по газу и бензину в отдельности, а также представлена цикловая подача при работе двигателя на бензо-газовой смеси.
Рис. 1 Зависимости цикловых расходов.
1 – расход газа; 2 – расход бензина; 3 – расход газа при работе на бензогазовой смеси; 4 – расход бензина при работе на бензо-газовой смеси
На основании рассчитанных цикловых подач была построена внешняя скоростная характеристика двигателя, работающего на бензо-газовой смеси (Рис.2).
Рис. 2 Теоретическая внешняя скоростная характеристика двигателя.
1 – эффективный удельный расход топлива при работе на газе; 2 – эффективный удельный расход топлива при работе на бензине; 3 – часовой расход бензина; 4 – часовой расход газа; 5 – эффективная мощность при работе на бензине; 6 – эффективная мощность при работе на газе; 7 – крутящий момент при работе на бензине; 8 – крутящий момент при работе на газе
На теоретической скоростной характеристике двигателя с искровым зажиганием, работающего на разных видах топлива, можно выделить две зоны (Рис. 2.).
В первой зоне используется чистый газ, во второй зоне предлагается для двигателя с искровым зажиганием применять бинарное топливо, состоящее из смеси газа и бензина.
Анализ результатов обработки скоростных характеристик показывает, что при достижении примерно одинаковых показателей по изменению мощности и крутящего момента, снижается расход топлива и улучшается экономичность работы.
Для подтверждения теоретических результатов исследований нами была разработана экспериментальная комбинированная (бинарная) система питания двигателя, работающего на бензо-газовой смеси. На кафедре «Тракторы и автомобили» НГСХА был получен Патент РФ на данную систему питания № 73935 от 19.03.2008 г. Такая система предполагает одновременное использование газа и бензина. Бензин при этом используется лишь на определённых режимах. В режиме прогрева двигателя используется бензин 100%, а в режиме средних и максимальных нагрузок в цилиндр двигателя добавляется бензин, но не больше 20% к газу, полнота сгорания образовавшейся бензо-газовой смеси при этом увеличивается, уменьшая количество токсичных веществ в отработавших газах. В режиме холостого хода и частичных нагрузок можно использовать чистый газ, так как он обеспечивает необходимую мощность и оптимальные экологические показатели [4].
Бинарная система питания испытуемого двигателя представлена на (рис. 3).
Рис. 3 Схема бинарной системы питания:
1 – двигатель М-21; 2 – датчик давления; 3 – газовая рампа; 4 – газовый счетчик; 5 – газовый дозатор; 6 – фильтр отстойник; 7 – газовый редуктор; 8 – газовый клапан; 9 – балон газовый; 10 – газоанализатор Инфракар М1-01; 11 – топливный бак; 12 – топливный фильтр; 13 – весовое устройство; 14 – тормозной стенд; 15 – спецдиск; 16 – датчик положения коленчатого вала; 17 – блок управления; 18 – адаптер; 19 – персональный компьютер; 20 – термопары; 21 – газоанализатор ДАГ-16; 22 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 23 – датчик абсолютного давления; 25 – датчик массового расхода воздуха; 26 – датчик положения дроссельной заслонки
Исследовательская установка представляет собой бензиновый двигатель объёмом 2,4 л., установленный на тормозном стенде с двумя системами питания. Одной из составляющих является штатная топливная система питания, в которой исключены все вспомогательные системы за исключением главной дозирующей системы. Диффузор и главный топливный жиклёр с переменным сечением обеспечивают точное дозирование бензина во время проведения стендовых испытаний. Бензин из топливного бака поступает на электронные весы, с помощью которых измеряется расход бензина, далее бензин проходит через фильтр очистки и поступает к топливному жиклеру [4].
Система питания газа состоит из газового баллона 9, через вентиль мульти клапана баллона газ поступает к газовому клапану 8, который управляется с помощью электрической схемы. Далее газ в жидкой фазе поступает в испаритель редуктора 7, редуктор выбирается с учётом рабочего объёма двигателя. При испарении газа резко снижается его температура, поэтому редуктор включен в систему охлаждения, откуда подаётся охлаждающая жидкость температурой 85-95 С0, также в редукторе снижается давление газа с 1,6 Мпа до рабочего, равного 0,1 Мпа. Из редуктора испаренный газ поступает в фильтр-отстойник 6, где очищается от примесей. Очищенный газ поступает в дозатор 5, после чего проходит через газовый счетчик 4 и попадает в специально изготовленную топливную рампу 3, где, распределяясь на потоки, поступает на впускные клапаны цилиндров. Туда же подается бензо-воздушная топливная смесь из штатной топливной системы. В результате перемешивания воздуха, низкомолекулярных газовых углеводородов и высокомолекулярных бензиновых углеводородов создаётся топливная смесь, приводящая к полному её сгоранию.
Во время снятия характеристик на тормозном стенде определяются основные характеристики двигателя: эффективная мощность, крутящий момент, часовой и удельный расходы топлива. На установке с помощью специальных приборов и термопар замеряется температура испаряемого газа до редуктора и испаренного газа после прохождения редуктора. Так же измеряется температура бензо-воздушной смеси во впускном коллекторе. На экспериментальной установке были установлены дополнительные датчики и электронный блок управления (17) для снятия необходимой информации. Качество смеси оценивает коэффициент избытка воздуха – α, для его определения необходимо знать действительный расход воздуха, для этого используется датчик массового расхода воздуха (ДМРВ) (25). Для определения абсолютного давления во впускном коллекторе используется датчик абсолютного давления. При открытии дроссельной заслонки и изменении давления датчик абсолютного давления передает сигнал в блок управления (17), степень открытия дроссельной заслонки при этом оценивает датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ) (26). На стенде дополнительно были установлены датчики температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ) (22) и датчик температуры отработавших газов. (ДТОГ) (24). Информация со всех датчиков поступает в электронный блок управления (ЭБУ). Программа управления хранится в специальной памяти и реализуется в микропроцессоре. В качестве периферийных компонентов исполнительные устройства и датчики представляют интерфейс между автомобилем и ЭБУ. ЭБУ получает электрические сигналы от датчиков, эти сигналы могут быть следующих типов:
В пределах диапазона аналоговые входные сигналы могут принимать практически любые значения напряжения. Примерами физических величин, которые рассматриваются как аналоги измеренных значений напряжения в нашем случае, является массовый расход воздуха на впуске, напряжение аккумуляторной батареи, давление во впускном коллекторе и давление наддува, температура охлаждающей жидкости и воздуха на впуске. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в микропроцессоре ЭБУ преобразует эти значения в цифровые сигналы, с которыми затем микропроцессор проводит расчеты. Максимальная разрешающая способность этих сигналов является ступенчатой, 5мВ на один бит (приблизительно 1000 шагов) [2].
Цифровые входные сигналы имеют только два значения. Они могут быть только или «высокими» или «низкими» (логическая единица «1» или логический нуль «0» соответственно). Примерами цифровых входных сигналов в нашем случае являются сигналы включения/выключения или сигналы цифровых датчиков. Такие сигналы обрабатываются непосредственно микропроцессором.
Импульсные входные сигналы от индуктивных датчиков, содержащие информацию в нашем случае частоты вращения и положения коленчатого вала, обрабатываются в их собственном контуре в ЭБУ. Здесь мнимые сигналы подавляются, а импульсные сигналы преобразуются в цифровые прямоугольные сигналы.
Для ограничения напряжения входных сигналов до максимально допустимого значения в ЭБУ используются защитные цепи. Путем применения устройств фильтрации наложенные сигналы помех в большинстве случаев отделяются от полезных сигналов, которые в случае необходимости затем усиливаются до допустимого в микропроцессоре уровня входного сигнала (0….5 В) [3].
На персональном компьютере с помощью специального программно-вычислительного комплекса отображаются цифровые значения необходимых данных.
Для оценки концентрации вредных веществ в отработавших газах используются газоанализаторы «Инфракар М» и «ДАГ-16». Газоанализатор «Инфракар М» замеряет токсичность отработавших газов при работе двигателя на бензине, а газоанализатор ДАГ-16 замеряет токсичность отработавших газов при работе двигателя на газообразном топливе.
В ходе проведения исследований были рассчитаны теоретические цикловые подачи топлива при работе двигателя на бензине, газе и бензо-газовой смеси, рассчитана теоретическая внешняя скоростная характеристика, на которой обозначена зона использования бензо-газовой смеси в зависимости от скоростного режима двигателя и создана экспериментальная установка для проведения испытаний двигателя, работающего на бензине, газе и бензо-газовой смеси.
Рецензенты:
Гоц А.Н., д.т.н., профессор кафедры тепловых двигателей и энергетических установок Владимирского государственного университета Министерства образования и науки, г. Владимир.
Кульчицкий А.Р., д.т.н., профессор, главный специалист ООО «Завод инновационных продуктов» КТЗ, г. Владимир.