Газобаллонные транспортные средства и стационарные установки

С 50-х годов в СССР (далее в РФ) была начата опытная эксплуатация газобаллонных автомобилей (ГБА) на сжиженном нефтяном газе (СНГ) и сжатом природном газе (СПГ). Однако, особенности эксплуатации газобаллонного оборудования (ГБО) и различных свойств газообразных топлив, периодически приводили к свертыванию начатых работ по этому направлению.

Только начиная с 80-х годов благодаря государственной поддержке внедрения эксплуатация ГБА начала развиваться. В итоге, в настоящее время в имеется расширенная сеть магистральных газопроводов, открывающая благоприятную перспективу использования СПГ в качестве моторного топлива, создана определенная инфраструктура – достаточно разветвленная сеть АГНКС, передвижных и стационарных автозаправочных станций СНГ, пункты (центры) по переоборудованию автомобилей в газобаллонные, система подготовки необходимых кадров. Освоены выпуск и ремонт отдельных элементов ГБО, имеется научно-исследовательское база, позволяющая проводить необходимые работы по выпуску новых конструкций ГБО и др.

За этот период в различных регионах РФ стали эксплуатироваться ГБА разных типов, марок и модификаций.

Особенно следует отметить:

- грузовые газобаллонные автомобили ЗИЛ-431810, (ЗИЛ-138), ЗИЛ-431610 (ЗИЛ-138А), ЗИЛ-ММЗ-585ГБА,ГАЗ=33075 (ГАЗ-53-07), ГАЗ-33076 (ГАЗ-53-27) и их модификации;

- автобусы на СПГ ЛАЗ-695НГ и газодизельные Икарус-260, Икарус 280, КамАЗ-7409.10;

- легковые автомобили ГАЗ-3102.27.

Достаточно длительную и интенсивную эксплуатацию в городских условиях прошли газодизельные автобусы Икарус-260 и Икарус-280.

Статистический анализ работы газодизельных автобусов Икарус-260 показал, что при заправке DР_зап=Р₂ – Р₁ » 15.0 МПа их пробег составляет от 300 км (в городских условиях) до 450 км (вне города). При этом расход дизельного топлива составляет 55…60 литров, т.е. его расход составляет 30…35 % от расхода газообразного топлива.

В таблице 2.4 приводится характеристики и некоторые эксплуатационные данные газодизельных автобусов Икарус.

В целом если в начале 90-х годов количество автомобилей, работающих на СПГ и СНГ, составляло более 30 тыс. единиц, то в конце их количество значительно сократилось в основном из-за истечения их сроков службы. В 2000 г степень загрузки АГНКС составил 25.2 %, т.е. ежедневно заправлялись СПГ более 3100 единиц автомобилей.

Таблица 2.4

Анализ работы эксплуатируемых ГБА на СПГ выявил следующее:

- необходимость обоснованного планирования объема и вида перевозок с учетом особенностей работы в городских условиях. Например, при работе ГБА типа ЗИЛ-ММЗ-585 с прицепом в карьерных условиях резко ухудшается их эксплуатационные показатели. Автобусы ЛАЗ-695 НГ и автомобили ЗИЛ-138А не могут работать на маршрутах с крутыми дорожными профилями, для которых рекомендована установка двигателей типа ЗИЛ-375 или выбор соответствующего маршрута перевозки;

- различный технический уровень эксплуатации ГБА в зависимости от ведомственной подчиненности АТП;

- необходимость учета особенностей эксплуатации двигателей ГБА (затрудненный запуск двигателя в холодное время года, уменьшение мощности двигателя, наличие одоранта в составе газа и др.) выдвигает ряд новых организационно-технических проблем в целях поддержания работоспособности аккумуляторных батарей, стартера, деталей и узлов двигателей, решения которых приводятся в соответствующих разделах;

- подготовка (переподготовка) качественно другого уровня кадров, которые должны заниматься эксплуатацией, ТО, ремонтом и техническим освидетельствованием газовых баллонов, ГБО, выпуском запасных частей;

- относительно низкий уровень технической эксплуатации частных автомобилей на СНГ и СПГ;

- работы по переоборудованию автомобилей в том числе, специальных автотранспортных средств в газобаллонные носят не плановый характер;

- низкий уровень газификации автомобилей, выпускаемых в Узбекистане;

- слабо развита сфера услуг (организация рыночных отношений) в производстве переоборудования автомобилей в газобаллонные, их ТО и Р, внедрение новых конструкций ГБО и средств их технического обслуживания, диагностирования;

- необходимость соответствующих законов, создающих дополнительные экономические льготы для юридических и физических лиц, предусматривающие низкопроцентные государственные кредиты, льготы, для работ, связанных с применением СПГ в качестве моторного топлива.

Обобщение и анализ проведенных эксплуатационных исследований ГБА с различным ГБО показали ряд их отличительных особенностей, которые зависят и от конструкции ГБО, и от свойств газообразных топлив (уменьшение мощности двигателя, ухудшение динамических качеств автомобиля, затрудненный запуск двигателя в холодное время и др.).

Анализ работы ГБО СНГ для легковых автомобилей показал, что имеющиеся конструкции производителей стран Россия, Беларусь, Италия по разному удовлетворяют требованиям эксплуатации. Последние годы ГБО Новогрудска (Беларусь) имеет более положительный опыт эксплуатации с точки зрения надежности, простоты конструкции, отсутствия выпуска газа в атмосферу при заправке и др.

ГБО СПГ для грузовых автомобилей до недавнего времени выпускались без каких-либо конструктивных изменений. Однако многие НИИ и заводы среднего машиностроения России с 90-х годов начали осваивать производство ГБО новой конструкции. В итоге, на рынке появилось ГБО СПГ новой конструкции для грузовых автомобилей и автобусов, которое в основном отличалось тем, что состояло из трехступенчатого газового редуктора-подогревателя (вместо газового одноступенчатого редуктора высокого давления, двухступенчатого редуктора низкого давления, подогревателя газа, заборного электромагнитного клапана-фильтра газа) и корректора угла зажигания (КУЗ) для контактных электронных систем зажигания.

Следует подчеркнуть, что все зарубежные фирмы Италии, Японии, Голландии давно выпускают трехступенчатые газовые редуктор-подогреватели, которые могут быть использованы как для СПГ, так и для СНГ.

Изучение вопросов переоборудования, эксплуатации, диагностики ГБО новой конструкции позволило сделать следующие выводы:

- выпуск новой конструкции ГБО состоящего из трехступенчатого газового редуктор-подогревателя и корректора угла зажигания является, бесспорно, современным техническим решением, направленным на улучшение эксплуатационных показателей ГБА;

- имеют место недостатки трехступенчатого редуктор-подогревателя по пределу давления газа во второй ступени, не позволяющие устранить утечку газа через клапан третей ступени, конструкции датчика (жидкостного) давления газа второй ступени, затрудняющие установку точности регулирования давления газа;

- отсутствует кран слива воды с рубашки охлаждения и конденсата с третьей ступени;

- отсутствует трубопровод отвода газа из подкапотного пространства при аварийных ситуациях из предохранительного клапана;

- недостаточная степень подогрева потока газа на входе в первую ступень, что влияет и на работоспособность клапан-седла и на надежность редуктор-подогревателя в целом.

В таблице 2.5 приводятся технико-эксплуатационные характеристики автомобилей ГАЗ-33076 и РАФ-2203, работающих на низкооктановом жидком топливе с добавкой ПГ.

Анализ работ по исследованию газовых двигателей ЗМЗ, ВАЗ, АЗЛК проведенных в ТАДИ с непосредственным участием автора, а также ряда других исследований показал, что перевод на питание газообразными топливами базового бензинового двигателя приводит к потере мощности.

Например, для двигателя ЗМЗ-53-11 (e = 7.0) минимальная потеря мощности составила 14.7 % или 12.8 кВт (14.7 л.с.), т.е. двигатель на метане развивает мощность 74.2 кВт вместо 87 кВт на бензине А-76.

Повышение степени сжатия двигателя до e = 8.5 заметных изменений в мощности не дало, но это техническое решение привело к применению бензина АИ-93 вместо А-76.

Для газовых двигателей ЗМЗ-53-11 или газобаллонных автомобилей ГАЗ-33076, эксплуатирующихся с различных условиях работы наиболее оптимальным оказалось – обогащение газовоздушной смеси различными жидкими топливами (низкосортные бензины, газоконденсаты, спирты и спиртовые растворы и т.д.). Причем целесообразно обогащение производить только на нагрузочных режимах свыше 80-85% от полной нагрузки.

Двигателя ЗМЗ-53-11, работающий с обогащеннием жидкими топливами газовоздушной смеси (подача обогащающего жидкого топлива с помощью штатного экономайзерного устройства (Ф_эк=0.6 ^+0.06 мм)) позволяет повысить мощность двигателя до 82 кВт (111.5 л.с.) или на 10.2 % по сравнению с газовыми вариантом системы питания.

При этом расход жидких топлив составил 0.6…5.5 кг/ч, и в газовом редукторе были установлены дозирующие шайбы газа 2.5 мм и 6.5 мм вместо 10.0 мм и 7 мм.

Таблица 2.5

Эксплуатационные испытания переоборудованного автомобиля ЗИЛ-431610 с одним прицепом в городских условиях показали повышение скоростных качеств при перевозке груза (с общим весом 12 тонн), средний расход жидкого топлива (низкосортного бензина) для обогащения газовоздушной смеси при этом составил 4.5….6.7 л/100км, расход СПГ – 54.2 м³/100 км.

Сравнительные технические характеристики автомобилей ЗИЛ-431610 и ГАЗ-33076, оснащенные данными системами питания приводятся в таблице 2.6.

В связи с тем, что в системе питания ГБА (например, автомобиль ГАЗ-33076) имеются электромагнитные клапаны бензина и газа, а также пусковой электромагнитный клапан газа, необходимо произвести дополнительные изменения в системе электрооборудования базового автомобиля.

Известно, что во многих отраслях экономики используются различные типы стационарных или передвижных установок (компрессоры, электростанции, насосные установки) с дизельным приводом. Они являются не только источниками потребления нефтяных топлив, но и являются весомыми отрицательными воздействиями на ОС.

Таблица 2.6

Проведенные опытно-конструкторские разработки по переводу дизеля А01М насосной станции СНП-500/10 на газодизельную систему питания позволили выявить возможные структурные элементы газодизеля, обеспечивающие его нормальное функционирование (рис 2.55).

Рис. 2.55. Насосная станция СНП-500/10 с газодизелем. 1 – насос; 2 – дизель; 3 – магистральный газопровод; 4 – магистральный вентиль; 5 – газовый редуктор.

На рис. 2.56 приводится структурная схема газодизеля А01М насосной станции СНП-500/10.

В соответствии с этой схемой подача газа в дизель может производиться двумя способами: из блока газовых баллонов, заправляемых с помощью передвижной газозаправочной станции или из газопроводов высокого или среднего давления.

В процессе доводки газодизельной системы питания были проведены безмоторные испытания ТНВД дизеля А01М в целях определения цикловой дозы впрыскиваемого топлива для воспламенения газовоздушной смеси.

Рис.2.56. Структурная схема газодизеля: 1 – насос; 2 – дизель; 3 – ТНВД; 4 – дозатор газа; 5 – газовоздушный смеситель; 6 – двухступенчатый газовый редуктор; 7 – расходный вентиль; 8 – тройник с пробкой; 9 – одноступенчатый газовый редуктор высокого давления; 10 – соединительный трубопровод высокого давления; 11 – магистральный вентиль; 12 – блок газовых баллонов; 13 –газораспределительный пункт; 14 – соединительный трубопровод высокого (среднего) давления; 15 – магистральный газопровод высокого (среднего) давления; 16 – соединительный трубопровод из газопровода; 17 – магистральный вентиль.

Как показали результаты проведенных испытаний для получения 15....20 % цикловой дозы впрыскиваемого жидкого дизельного топлива следует ограничить ход рейки ТНВД.

Проведенные стендовые испытания ТНВД 6НТ 10х10-03 на стенде «Моторпал» NC 129 (Чехия) по определению цикловой дозы топлива в зависимости от хода рейки (таблица 2.7) показали, что уменьшение хода рейки ТВНД, примерно до 6.5 мм вместо 10 мм, имеющие место у базового дизеля позволят установить необходимое количество цикловой (запальной) дозы топлива. В этом случае цикловая доза, необходимая для воспламенения сжатой газовоздушной смеси, будет составлять около 20±4 мм³/цикл.

Таблица 2.7

Широкое применение газообразных топлив (СНГ, СПГ) в качестве моторного топлива явилось основной причиной переоборудования различных марок и модификаций легковых и грузовых автомобилей, автобусов и других видов автотранспортных средств. Считают, что в Европе к 2020 году 64.7 % легковых автомобилей и другие виды транспорта будут работать на СПГ (рис. 2.57).

Рис.2.57. Прогнозирование автотранспортных средств в Европе на СПГ к 2020 г.

Рис. 2.58. Образец автомобиля ГАЗ-3302 на газовом топливе.

Рис.2.59. Образцы различных транспортных средств, переведенных на СПГ.

Европейская газомоторная ассоциация (ENGVA) считает, что основными альтернативными топливами являются биотопливо, природный газ и водород, и по планом ЕЭК ООН к 2020 году почти четверть (23 %) автомобилей в Европе должны работать на альтернативных видах топлива. На природном газе через 18…20 лет должны работать почти 23.5 млн. автомобилей, т.е. 10 % от общего количества. Для России же данное соотношение должно составить не менее 25…30 % ввиду того, что здесь имеются все объективные предпосылки развития данного направления.