Газовая атака

Все плюсы и минусы установки газового оборудования на внедорожник

Неумолимо ползущая вверх цена бензина, помноженная на богатырский аппетит двигателя внедорожника, зачастую наводит его владельца на мысль перевести машину на газовую «диету». С одной стороны, это заманчиво – потратившись раз на установку газобаллонного оборудования, платить затем сущие копейки за удовольствие кататься. Однако любой достигнутый результат, как известно, имеет две стороны. Так каковы же плюсы и минусы альтернативной системы питания?

В качестве автомобильного топлива используют два разных по своим свойствам и происхождению газа: метан, имеющий химическую формулу СН₄, и пропан-бутан, получаемый в результате смешивания в С₂Н₈ и С₄Н₁₀.Метан – это тот самый газ, что поступает в городские квартиры по трубам. Пропан-бутановая смесь – сжиженный газ, получаемый в процессе переработки нефти. Последний хорошо знаком дачникам и туристам – именно его продают в баллонах емкостью от 0,5 до 50 л.

Пропан-бутан

Несмотря на то, что принципиальные схемы подачи газа в двигатель в обоих случаях близки, оборудование для метана и для пропан-бутана требуется совершенно разное. Относительно высокая плотность (в 1,5–2 раза тяжелее воздуха) и, главное, относительно высокая температура кипения нефтяного газа позволяют хранить его в виде жидкости, свободное пространство над которой занято насыщенным паром. Благодаря высокой плотности жидкой фазы можно в малом объеме уместить большое количество топлива. По мере расхода газа давление в баллоне снижается, в результате снова происходит испарение, и давление растет, а поскольку во время работы двигателя оба эти процесса происходят практически одновременно и непрерывно, то и давление внутри баллона поддерживается почти без изменений до полного его опустошения. Давление главным образом зависит от температуры окружающей среды. Так, при 0°С в баллоне, заполненном пропан-бутаном, оно составляет всего 0,7 атм, при 20°C – 3–4 атм, а при 50°C оно подбирается уже к 16 атм, что довольно близко к предельному значению для баллонов наиболее распространенных марок. Кстати, именно поэтому в жаркий день оснащенную газом машину лучше парковать в тени. Конечно, при перегреве газифицированное транспортное средство не взорвется – сработает клапан сброса избытка давления, и газ станет мало-помалу уходить в атмосферу. Но это только если клапан имеется…Дело в том, что на дешевую аппаратуру его зачастую не устанавливают, и в случае перегрева баллон может просто лопнуть. Об этом свойстве следует помнить при заправке. Баллон нужно заливать на 80–90%, чтобы в нем оставалась паровая подушка, компенсирующая увеличение объема жидкой фазы.

Характерно, что при переводе автомобиля на пропан-бутан двигатель становится двухтопливным, так как полностью исключить необходимость использования бензина в эксплуатации не удастся. По крайней мере, пуск и прогрев двигателя в холодную погоду придется выполнять на традиционном топливе, поскольку газ при переходе из жидкой фазы сильно охлаждается, и редуктор требует подогрева охлаждающей жидкостью двигателя. Если же антифриз сам холоден, то температура газа в редукторе может упасть ниже 40°C, и он замерзнет! Поэтому все инструкции по газовому оборудованию рекомендуют запускать мотор на пропан-бутане лишь в том случае, если окружающая температура выше +10°С. Впрочем, современные электронные системы контролируют температуру и переключают подачу разных видов топлива автоматически.

Метан

В отличие от нефтяного газа, метан легче воздуха в 1,6 раза и при утечках быстро улетучивается, что существенно повышает безопасность его использования. Из пределов воспламеняемости (см. табл.1) видно, что для взрыва его должно накопиться в 2,5 раза больше, чем пропан-бутана. Однако изза низкой температуры кипения перевести метан в жидкое состояние для применения в автомобиле не удается, потому рабочее давление в метановой системе составляет 200 атм. Это в свою очередь заставляет вносить в конструкцию большой запас прочности, что сказывается и на весе, и на цене. К примеру, самый простой комплект метанового оборудования для УАЗа сейчас стоит в районе 50 000 рублей, в то время как простейший пропан-бутановый набор для этого автомобиля обойдется в 6000. Вдобавок серьезно сокращается запас хода – газообразного вещества в баллоне помещается гораздо меньше, чем жидкости. Для увеличения пробега на одной заправке в метановой системе обычно используются несколько баллонов, которые бывают трех типоразмеров. Самые емкие (они предназначены для грузовиков и автобусов) разместить во внедорожнике практически невозможно, а пять «легковых» баллонов общим весом 150 кг позволяют проехать на УАЗе всего километров 300. С другой стороны, трехступенчатый редуктор просто понижает давление в метановой магистрали с 200 до 1 атм, и никакого испарения не происходит. Результат – в морозы двигатель на метане заводится даже легче, чем на бензине! К тому же природный газ значительно дешевле не только бензина и солярки, но и пропан-бутана. У нас в стране метан стоит от 4,5 до 7 рублей за кубометр. При этом кубический метр метана примерно «равен» 1,18 л бензина и 1,41 л пропан-бутана.

Физико-химические свойства топлива пропан бутан бензин метан
Формула	С2Н8	С4Н10	С8Н17*	СН4
Молекулярная масса	44	58	114	16
Плотность жидкой фазы, кгм/м3**	510	580	730	отсутствует
Температура кипения, 0С	-43	-0,5	не ниже 35	-164,4
Теплота сгорания, Мдж/м3***	85	111	213	50,08
Пределы воспламеняемости в смеси с воздухом, % **	2,4–9,5	1,8–8,5	1,5–6	5–16
Октановое число	110	95	92	117
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг	15,8	15,6	14,7	17

    * бензин состоит из многочисленных компонентов, и химическая формула для него бессмысленна. Возможна только условная, средняя.
  ** при +150 С и атмосферном давлении
*** в газообразном состоянии

Заправки

В 80-е годы прошлого столетия замена нефти альтернативными видами топлива была объявлена важной народнохозяйственной задачей, а метановое направление – наиболее перспективным для автотранспорта. В результате к 1993 году в России было построено 368 автомобильных газонаполнительных компрессорных станций, расположенных в крупных городах и вдоль всех федеральных трасс. В Москве их 10, и все они расположены на МКАДе, а на магистралях расстояние между АГНКС редко превышает 250 км. Это позволяет спокойно отправляться в дальнее путешествие в любом направлении. Но имейте в виду: редко когда компрессорная станция стоит прямо у шоссе, и для заправки обычно приходится сделать небольшой крюк. Зато благодаря тому, что все АГНКС построены на ответвлениях магистрального газопровода, качество топлива стабильно, за исключением редких случаев, когда системы очистки и осушки на какой-то конкретной станции работают недостаточно эффективно. Впрочем, планируя путешествие, рассчитывать на заправку природным газом вдалеке от больших трасс не стоит – компрессорных станций там просто нет.

Заправить же машину пропанбутаном вдалеке от федеральных трасс вполне реально, поскольку нефтяной газ хранят и возят в цистернах, да и пропановых заправок по стране построено в избытке. Зато тут проще попасть на некондицию (с той же степенью вероятности, что и с бензином). Во-первых, пропан-бутан бывает «зимний» и «летний». Из-за разницы в температуре кипения два компонента газа смешивают в разных пропорциях. В общем, как и с соляркой, тут возможны сезонные перебои. Кроме того, в цистернах газовозов иной раз попадается влага (зачастуюпримесь метана).

Здоровье мотора

Перевод двигателя на газ заставляет мотор работать в иных условиях, нежели на бензине. С одной стороны, тут явные плюсы. Октановое число пропан-бутановой смеси в любом случае выше 100, а у метана оно и вовсе 117! Следовательно, у газа минимальная склонность к детонации и, со-ответственно, он дает меньше нагрузок на поршневую группу. Кроме того, сгорание газа становится более полным в сравнении с жидким топливом, отсюда снижение нагарообразования и уменьшение токсичности выхлопа. К тому же газ не смывает со стенок цилиндров масло при холодном пуске и не содержит примесей – катализаторов старения металлов. Но, с другой стороны, горение газовой смеси происходит медленнее, что повышает тепловую нагрузку на клапана и их седла. К тому же неправильный выбор, установка и регулировка оборудования усугубляют эту особенность, что обычно приводит к печальным последствиям. Так, если на автомобиль установить редуктор, рассчитанный на меньшую мощность двигателя, он не сможет подавать необходимое количество топлива. В результате двигатель будет работать на обедненной смеси, что чревато не только потерей мощности, но и прогаром клапанов!

Еще один момент: газ горит медленнее, чем бензин, поэтому требуется увеличение угла опережения зажигания. Если этого не сделать, смесь продолжает сгорать, когда поршень уже идет вверх. В результате не только снижается термический КПД двигателя, но и происходит разрушение поршня и клапанов за счет их перегрева горячими газами. Поэтому в системе необходим корректор режимов зажигания. И если в электронных системах последних поколений зажигание перестраивается автоматически, то в недорогих механических системах очень важна точность регулировок опережения зажигания в соответствии с изменившимися условиями сгорания смеси.

Кстати, первые советские инструкции по переводу на метан бензиновых моторов предписывали шлифовать головки блока цилиндров для увеличения степени сжатия. Делалось это с целью оптимизации работы двигателей, созданных для потребления 72-го–76-го бензина. Теоретически это полезно для любого мотора, работающего на низкооктановом бензине. Однако данная процедура делает и без того недешевую работу по «газификации» еще дороже.

После перевода машины на газ иногда возникает еще одно неприятное явление – так называемый «обратный хлопок», когда топливо-воздушная смесь воспламеняется во впускном коллекторе в момент открытия обоих клапанов (момент перекрытия фаз). Однако газовое топливо тут ни при чем, оно лишь выявило проблемы, которые на бензине, в силу его свойств горения, были незаметны. Хлопок может случиться и на обычном бензиновом моторе, но происходит это намного реже и, как правило, без фа-тальных последствий. Причины явления кроются в неисправности системы зажигания или ГРМ. Наиболее подвержены обратным хлопкам впрысковые двигатели с безраспределительной двухискровой системой зажигания, оснащенные рычажно-мембранным газовым оборудованием.

Мощность и удары

Считается, что при работе на газе падает мощность двигателя. Для внедорожника, трудящегося вне асфальта, это весьма весомая причина, чтобы продолжать ездить на традиционном топливе, если, конечно, потеря существенна. Какова же она на самом деле? Практика показывает, что наиболее заметен разрыв на карбюраторных машинах, оснащенных простейшими газовыми системами. Дело в том, что бензин и газы смешиваются с воздухом во впускном тракте в разных пропорциях. Из-за этого при работе и на пропан-бутане, и особенно на метане, в камеру сгорания попадает менее калорийная горючая смесь. В итоге в первом случае мощность падает на 5–7%, а во втором на 18–20% (в современных системах с распределенным электронным впрыском потери мощности вполовину меньше). И если на трассе потеря даже 20% максимальной мощности будет практически не заметна, то на бездорожье – совсем другое дело, тем более что мощность, как производная крутящего момента, снижается в результате падения последнего. Форма характеристики крутящего момента при переходе на метан не изменяется. Она просто смещается вниз, то есть теряется крутящий момент и в самой важной на бездорожье зоне рабочего диапазона двигателя – зоне низких оборотов.

С другой стороны, боязнь ставить газовые баллоны на внедорожник из-за тряски, прыжков и вероятных ударов о грунт лишена всяких оснований. При проектировании газобаллонных систем инженеры в первую очередь думают о безопасности. Все новые баллоны при сертификации проходят суровые испытания вплоть до того, что их расстреливают и взрывают. По нормативам, баллон должен выдерживать при аварии столкновение с другим автомобилем, а не просто пробой подвески или удар задним свесом о землю. Толщина стенок газового баллона в несколько раз толще, чем у бензобака, и даже облегченный баллон представляет собой алюминиевую или стальную капсулу, на которую многократно намотана стеклоткань, пропитанная синтетическими смолами. Единственное, что важно – его прочное и жесткое крепление в машине.

Итоги

Строго говоря, нет никакой принципиальной разницы между установкой газобаллонного оборудования на внедорожник, легковушку или, скажем, грузовик. Все четырехтактные двигатели внутреннего сгорания построены на одном принципе работы. Важно лишь подобрать адекватную модель оборудования. В первую очередь это касается редуктора. Для владельцев внедорожников ситуация несколько усложняется тем, что на рынке предложение всегда реагирует на спрос, а газовое оборудование, как показывают маркетинговые исследования, наиболее востребовано владельцами машин с двигателями объемом 1,5–2 л и мощностью до 150–170 л.с. Предложение же по «большим» моторам крайне ограничено, причем найти метановое оборудование для них практически невозможно. Владельцам внедорожников с небольшими двигателями легче, но широкий выбор заставляет задуматься о том, что же все-таки установить. У метана более чем привлекательная цена, но даже простейшее оборудование стоит столько, что самые продвинутые пропановые системы покажутся бюджетными. К тому же скудная география заправок и серьезное снижение полезной грузоподъемности… Впрочем, проблема размещения баллонов актуальна для любого из газовых видов топлива, равно как и снижение мощности двигателя. Посему очевидно, что для спорта газ не годится. Что же до всех остальных, то надо сразу понять и принять, что газ – это компромисс. К тому же при нехватке мощности на бездорожье всегда можно перейти на бензин…

---

Критерии истины

Чтобы понять, как изменяется поведение автомобиля после перехода на газ, мы взяли на тест две машины, представляющие две крайние ступени эволюции газовых систем. Одна – метановый УАЗ с карбюраторным УМЗ 417 и механической системой подачи газа первого поколения. Единственный прибор в данной системе, работающий от электричества – переключатель видов топлива. Другая – пропановая « Нива», оснащенная электронным впрыском четвертого поколения с электромагнитными форсунками, способными работать как с нефтяным, так и природным газом на моторах практически любого объема благодаря сменным жиклерам. Форсунками управляет газовый процессор, пересчитывающий сигналы штатного электронного блока управления и кислородного датчика и определяющий степень и длительность открытия газовых форсунок.

В основном нас интересовало практическое выражение разницы в мощности двигателя при работе на бензине и газе. Чтобы почувствовать эту разницу, мы замерили максимальную скорость и эластичность двигателя двух автомобилей в обоих режимах. Стоит оговориться: результаты наших испытаний дают лишь приблизительную картину проявления свойств газобаллонного оборудования. В каждом конкретном случае динамометрические показатели работы автомобиля на разных видах топлива будут отличаться в зависимости от настроек системы и состояния оборудования. В последнем мы убедились, едва начали тест. У обеих машин оказались технические недостатки одного свойства. УАЗ ездит только на метане, и его карбюратор забыл «вкус» бензина (ради чистоты эксперимента был куплен и установлен новенький К-151), а « Нива», напротив, щеголяет очень умным, самонастраивающимся инжектором, газовый процессор которого пересчитывает под свои нужды сигналы бензинового.

Прежде чем устанавливать измерительную аппаратуру и выезжать на дорогу, мы взвесили машины. То, что масса возросла за счет задней части (где и расположены баллоны), никого не удивило. Однако легкая емкость с пропан-бутаном принципиально не повлияла на развесовку. На переднюю ось пустого автомобиля все равно приходится на 100 с лишним килограммов больше, чем на заднюю. У УАЗа ситуация обратная – на заднюю ось приходится почти на 150 кг больше. Для езды по бездорожью порожняком – это хорошо, но грузоподъемность машины сильно пострадала.

Если с замером максимальной скорости все оказалось просто, то для теста на эластичность двигателя была выбрана следующая методика. УАЗ должен был разгоняться на четвертой передаче с 40 до 80 км/ч, а « Нива», соответственно, на четвертой с 60 до 100 км/ч. Измерялись время, за которое автомобили набирали заданную скорость, и расстояние, которое они за это время проезжали.

Начав с УАЗа, мы ожидали потери мощности, но не настолько. Кроме того, удивил сам характер работы двигателя на газе и огромный разброс в результатах от заезда к заезду. Среднеарифметический показатель эластичности оказался меньше бензинового в 1,8 раза! Да и по максимальной скорости разница между метаном и бензином оказалась несколько больше ожидаемой. Проанализировав ситуацию, мы решили, что причину «плохого поведения» следует искать в газовом редукторе. Установленное оборудование очень старо и, вероятнее всего, с возрастом мембрана редуктора просто потеряла эластичность. Зато работа УАЗа на бензине не расстроила и не удивила. Разница в пробегах не превысила 30 метров, а «максималка» оказалась близка к паспортным значениям. Что же касается «Нивы», то автомобиль проявил себя вполне предсказуемо, продемонстрировав в серии заездов совсем небольшой разброс. При этом показатели работы на бензине превзошли газовые, но незначительно. Правда, значения максимальной скорости до паспортных так и не дотянули.

Комментарии к результатам испытаний

При исследовании метанового УАЗа выяснилось, что стоящая на нем электронная система коррекции опережения зажигания не дала реального результата, поскольку она рассчитана на то, что зажигание должно быть отрегулировано на бензин, а система увеличивает опережение, где это нужно для газового топлива. На автомобиле же базовая регулировка была проведена в соответствии с опытом владельца, для эксплуатации на газу. В результате без электронного корректора опережение было несколько меньше, чем нужно для газового топлива, но больше, чем для бензина, а с включенным корректором было слишком большим и для газа. Но основные проблемы этой машины связаны с неподходящей по производительности газовой аппаратурой (а может быть, и затвердением мембраны).

На «Ниве» ситуация оказалась более интересной и неоднозначной. С одной стороны, установленная на ней система газового впрыска базируется на сигналах штатного впрыска и, соответственно, также работает по сигналам «датчика кислорода». Также происходит коррекция состава смеси и на газу блоком адаптации штатных «мозгов». Газовый процессор только пересчитывает сигнал, идущий на бензиновые форсунки, в соответствии с характеристиками газовых. Хотя надо сказать, что алгоритм пересчета непрост из-за принципиальной разницы в динамике работы жидкостных и газовых клапанов, которыми и являются форсунки. Надо сказать, что данная система является именно двухтопливной, пуск и выход на рабочий режим в любом случае происходят на бензине (предусмотрен аварийный режим работы только на газу, в который систему надо переводить специально при отсутствии бензина). Только после начала нормальной работы системы коррекции состава смеси двигатель переводится на газ. Опережение зажигания на данном автомобиле не корректируется под газ. Впрочем, это не очень-то и нужно. Дело в том, что базовая карта опережения зажигания не сильно отличается от необходимой для газа, но на бензине она корректируется в сторону уменьшения опережения по сигналу датчика детонации, а поскольку на газу детонации нет, то нет и корректировки.

Теперь перейдем непосредственно к результатам испытаний. Надо сказать, что « Нива» на газу работала отлично и выдала вполне ожидаемые результаты, чего не скажешь о ситуации, сложившейся при работе на бензине. Когда выяснилось, что на газу и на бензине машина едет практически одинаково (чего не может быть по определению), мы при помощи диагностического компьютера начали разбираться. Выяснилось, что бензиновая система «Нивы» после пробега в 160 тысяч километров находится в плачевном состоянии и не обеспечивает достаточной топливоподачи, в результате чего смесь обедняется на мощностных режимах. В свою очередь, это приводит к росту температуры в камере сгорания и активной детонации. Блок управления резко уменьшал опережение зажигания, и мощность двигателя снижалась еще существеннее. При работе на газу это не оказывало никакого влияния, так как газовый процессор настраивается отдельно по сигналам основного процессора, и если это сделать грамотно, система будет работать на газу правильно.

Эластичность, « Нива», 60-100 км/ч, 4-я передача
	бензин	газ
Время, с	18,73	19,75
Расстояние, м	423,9	446,4

Эластичность, УАЗ, 40-80 км/ч, 4-я передача
	бензин	газ с корректором зажигания	газ без корректора
Время, с	22,41	33,99	39,4
Расстояние, м	376,4	663,6	669, 5

Благодарим за помощь в подготовке материала Владислава Лукшо, начальника отдела газовых двигателей НАМИ, и специалистов ООО «Славгаз».

текст: Алексей РОЗАНОВ
фото: Алексей ВАСИЛЬЕВ
Евгений КОНСТАНТИНОВ