Экономия топлива газового двигателя – наиболее важный показатель двигателя – определяется октановым числом топлива и пределом воспламенения топливовоздушной смеси. Октановое число является показателем детонационной стойкости топлива, которая ограничивает возможность применения топлива в мощных и экономичных двигателях с высокой степенью сжатия. В современной технике октановое число является главным показателем сортности топлива: чем оно выше, тем качественнее и дороже топливо. СПБТ (смесь пропанобутановая техническая) имеет значение октанового числа от 100 до 110 единиц, поэтому ни на одном режиме работы двигателя не возникает детонация.
Анализ теплофизических свойств топлива и его горючей смеси (теплота сгорания и теплотворность горючей смеси) показывает, что все газы превосходят бензин по теплотворной способности, однако в смеси с воздухом их энергетические показатели снижаются, что является одной из причин уменьшения мощности двигателя. Уменьшение мощности при работе на сжиженном пропан-бутане составляет до 7%. Аналогичный двигатель при работе на сжатом (компримированном) метане теряет до 20% мощности.
Вместе с тем высокие октановые числа позволяют повысить степень сжатия газовых двигателей и поднять показатель мощности, но дешево выполнить эту работу по силам только автозаводам. В условиях монтажного участка произвести данную доработку слишком дорого, а зачастую просто невозможно.
Высокие октановые числа требуют увеличения угла опережения зажигания на 5°…7°. Однако, раннее зажигание может привести к перегреву деталей двигателя. В практике эксплуатации газовых двигателей наблюдались случаи прогара днищ поршня и клапанов при слишком раннем зажигании и работе на сильно обедненных смесях.
Удельные расходы топлива двигателем тем меньше, чем беднее топливовоздушная смесь, на которой работает двигатель, то есть чем меньше топлива приходится на 1 кг воздуха, поступающего в двигатель. Однако очень бедные смеси, где топлива слишком мало просто не воспламеняются от искры. Это и ставит предел повышению топливной экономичности. В смесях бензина с воздухом предельное содержание топлива в 1 кг воздуха, при котором воспламенение возможно, составляет 54 г. В предельно бедной газо-воздушной смеси это содержание составляет только 40 г. Поэтому на режимах, когда не требуется развивать максимальную мощность двигатель, работающий на природном газе значительно экономичнее, чем бензиновый. Опыты показали, что расход топлива на 100 км при движении автомобиля, работающего на газе, со скоростями в пределах от 25 до 50 км/час в 2 раза меньше чем у того же автомобиля в тех же условиях, работающего на бензине. Компоненты газового топлива имеют пределы воспламенения, значительно смещенные в сторону обедненных смесей, что дает дополнительные возможности повышения экономии топлива.
2. Экологическая безопасность газовых двигателей
Газообразные углеводородные топлива относятся к наиболее чистым в экологическом отношении моторным топливам. Выбросы токсичных веществ с отработанными газами, по сравнению с выбросами при работе на бензине в 3-5 раз меньше.
Бензиновые двигатели в силу высокого значения предела обеднения (54 г топлива на 1 кг воздуха) вынужденно регулируются на богатые смеси, что приводит к недостатку кислорода в смеси и неполному сгоранию топлива. В результате в выхлопе такого двигателя может содержаться значительное количество угарного газа (СО), который всегда образуется при недостатке кислорода. В случае же, когда кислорода достаточно, в двигателе при сгорании развивается высокая температура (более 1800 градусов), при которой происходит окисление азота воздуха избыточным кислородом с образованием окислов азота, токсичность которых в 41 раз превосходит токсичность СО. Кроме этих компонентов, в выхлопе бензиновых двигателей содержаться углеводороды и продукты их неполного окисления, которые образуются в пристеночном слое камеры сгорания, где охлаждаемые водой стенки не позволяют жидкому топливу испариться за короткое время рабочего цикла двигателя и ограничивают доступ кислорода к топливу. В случае применения газового топлива все указанные факторы действуют значительно слабее, в основном вследствие более бедных смесей. Продукты неполного сгорания практически не образуются, так как всегда есть избыток кислорода. Окислы азота образуются в меньшем количестве, так как при обедненных смесях температура сгорания значительно ниже. Пристеночный слой камеры сгорания содержит меньше топлива при бедных газо-воздушных смесях, чем при более богатых бензино-воздушных. Таким образом, при правильно отрегулированном газовом двигателе выбросы в атмосферу угарного газа оказываются в 5-10 раз меньше, чем у бензинового, окислов азота в 1,5 – 2,0 раза меньше и углеводородов в 2 –3 раза меньше. Это позволяет соблюдать перспективные нормы токсичности автомобилей («Евро-2» и возможно и «Евро-3») при надлежащей отработке двигателей.
Использование газа в качестве моторного топлива является одним из немногих экологических мероприятий, затраты на которое окупаются прямым экономическим эффектом в виде сокращения расходов на горюче-смазочные материалы. Подавляющее большинство других экологических мероприятий являются исключительно затратными.
В условиях города с миллионным количеством двигателей использование газа в качестве топлива позволяет значительно снизить загрязнение окружающей среды. Во многих странах на решение этой проблемы направлены отдельные экологические программы, стимулирующие перевод двигателей с бензина на газ. Московские экологические программы с каждым годом ужесточают требования к владельцам транспортных средств в отношении выброса выхлопных газов. Переход на использование газа - это решение экологической проблемы в сочетании с экономическим эффектом.
3. Износостойкость и безопасность газового двигателя
Износостойкость двигателя вплотную связана с взаимодействием топлива и моторного масла. Одним из неприятных явлений в бензиновых двигателях является смывание бензином масляной пленки с внутренней поверхности цилиндров двигателя при холодном запуске, когда топливо поступает в цилиндры не испарившись. Далее бензин в жидком виде попадает в масло, растворяется в нем и разжижает его, ухудшая смазочные свойства. Оба эффекта ускоряют износ двигателя. ГСН независимо от температуры двигателя всегда остается в газовой фазе, что полностью исключает отмеченные факторы. ГСН (газ сжиженный нефтяной) не может проникнуть в цилиндр, как это происходит при использовании обычных жидких видов топлива, поэтому не возникает необходимости промывания двигателя. Головка блока и блок цилиндров меньше изнашиваются, что увеличивает срок службы двигателя.
При несоблюдении правил эксплуатации и обслуживания, любое техническое изделие представляет определенную опасность. Газобаллонные установки - не исключение. В то же время при определении потенциальных рисков следует учитывать такие объективные физико-химические свойства газов, как температура и концентрационные пределы самовоспламенения. Для взрыва или воспламенения необходимо образование топливовоздушной смеси, то есть объемное смешение газа с воздухом. Нахождение газа в баллоне под давлением исключает возможность проникновения туда воздуха, в то время как в баках с бензином или дизельным топливом всегда присутствует смесь их паров с воздухом.
Как правило, газовые баллоны устанавливаются в наименее уязвимых и статистически реже повреждаемых местах автомобиля. На основе фактических данных была рассчитана вероятность поражения и конструктивного разрушения корпуса автомобиля. Результаты расчетов, свидетельствуют, вероятность разрушения корпуса автомобиля в зоне расположения баллонов составляет 1-5%.
Опыт эксплуатации газовых двигателей, как у нас, так из рубежом показывает, что двигатели, работающие на газе, менее пожаро-и взрывоопасны в аварийных ситуациях.
4. Экономическая целесообразность применения
Эксплуатация автомобиля на ГСН приносит около 40% экономии. Поскольку по своим характеристикам к бензину наиболее близка именно смесь пропана и бутана, то для его использования капитальных переделок в устройстве двигателя не требуется. Универсальная система питания двигателя сохраняет полноценную бензиновую топливную систему и дает возможность легко переключаться с бензина на газ и обратно. Двигатель, оборудованный универсальной системой, может работать либо на бензине, либо на газовом топливе. Стоимость переоборудования бензинового автомобиля на пропан-бутановую смесь в зависимости от выбранного оборудования колеблется от 4-х до 12 тысяч рублей.
При выработке газа двигатель останавливается не сразу, а прекращает работу через 2-4 км пробега. Комбинированная система питания "газ плюс бензин" - это 1000 км пути на одной заправке обеих топливных систем. Тем не менее, определенные отличия в характеристиках этих видов топлива все же существуют. Так, при использовании сжиженного газа для появления искры требуется более высокое напряжение в свече зажигания. Оно может превышать величину напряжения при работе машины на бензине на 10-15%.
Перевод двигателя на газовое топливо увеличивает ресурс его работы в 1,5-2 раза. Улучшается работа системы зажигания, срок службы свечей возрастает на 40%, происходит более полное сгорание газо-воздушной смеси, чем при работе на бензине. Уменьшается нагарообразование в камере сгорания, головке блока цилиндров и на поршнях, поскольку сокращается количество углеродистых осадков.
Другим аспектом экономической целесообразности использования СПБТ в качестве моторного топлива является то, что использование газа позволяет свести к минимуму возможность несанкционированного слива топлива.
Автомобили с системой впрыска топлива, оборудованные газовой аппаратурой, проще защищать от угона, чем автомобили с бензиновыми двигателями: отсоединив и забрав с собой легкосъемный коммутатор, можно надежно заблокировать подачу топлива и тем самым воспрепятствовать угону. Такой “блокиратор” трудно распознать, что служит серьезным противоугонным устройством для несанкционированного пуска двигателя.
Таким образом, в целом использование газа в качестве моторного топлива экономически эффективно, экологично и достаточно безопасно.