Що прогорає у двигуні

1. Що прогорає у двигуні

Запитання: «Що прогорає у двигуні?»

Причому в більшості випадків це звучить саме тому, що написано, і тільки в окремих випадках технічно грамотні люди уточнюють, що прогоряє не головка блоку, не стінки циліндра, а саме випускні клапани. Що ж, факт є факт, і тривалість горіння газу справді вища, ніж бензину (низькооктанового), і суто теоретично таке можливо.

Йдеться про те, що в момент відкриття випускних клапанів газоповітряна суміш у циліндрі ще продовжує горіти і, як наслідок, має відбуватися перегрів випускних клапанів.

Але:

a) подібне відбувається на бензинових двигунах через неправильно виставлене запалювання (і де ж тут газ?);

б) навіть маститі фахівці з журналу «За кермом» не змогли довести правильність цього твердження (для справедливості варто відзначити, що і не спростували);

в) правильно виставлене запалювання або використання октан-коректора назавжди закриє для вас це питання.

І, ще: аматорське ставлення до переобладнання двигуна для роботи на газовому паливі, що склалося в Україні, дискредитує всі плани щодо газифікації автомобільного транспорту, як за екологічними показниками, безпекою, так і щодо надійності газової системи та самого двигуна. Для автомобілістів загальноприйнятим став термін «прогоряння клапанів», хоча у разі газового палива з цим важко погодиться. Більш правильним було б позначити цю проблему як просідання клапана в результаті зносу сідла. За інших рівних умов роботи двигуна, проблему можна позначити у відмінності згоряння бензину та газу (температура, швидкість горіння), а також вплив продуктів згоряння та домішок на знос впускних та випускних клапанів (рис.1)

Мал.1. Положення випускного клапана до та після просідання

Випускні клапани, порівняно з впускними, більше впливають на температуру. При номінальному навантаженні сідла впускних та випускних клапанів працюють при температурах близько 300 ºC та 350 ºC. Тоді як тарілки клапанів і нагріваються до 850 ºC навіть під час роботи двигуна на бензині. Тому як на бензині, так і на газі зазвичай страждають випускні клапани.

Бензин впорскується у впускний колектор у розпорошеному стані та охолоджує впускні клапани. Газ же подається у випареному стані з вищою температурою і тільки системою розподіленого упорскування газу LPI фірми Vialle – у рідкому вигляді.

Ця система поширена на іноземних автомобілях 1995-1999 року, а зараз практично не застосовується через високу вартість балонної частини. Крім того, пропан-бутан має більш високе октанове число, близько 112, і згоряє з вищою температурою, викликаючи додатковий перегрів клапанів та сідел.

Перш за все слід сказати, що основне охолодження клапанів відбувається в результаті тепловіддачі при контакті тарілки клапана з сідлом. Чим краще відбувається теплообмін між клапаном та сідлом, а також тепловідведення через систему охолодження головки блоку циліндрів, тим нижча температура всіх деталей двигуна. Газоподібне паливо, у разі високоочищеної пропан-бутановою сумішшю або метаном, згоряє повністю без утворення вуглецевих залишків. У випадку бензину такі залишки формують тонку плівку на поверхнях зіткнення клапана з сідлом і захищають їх від зносу. Справа в тому, що сам по собі бензин містить маслянисті домішки вуглеводнів, крім того, для покращення його якостей додаються присадки (барвники, антиоксиданти, інгібітори корозії, миючі речовини, добавки для підвищення октанового числа).

Навпаки, на газу, при прямому контакті металевих поверхонь і більш високій температурі відбувається мікроплавлення на поверхнях, що стикаються, з подальшим окисленням продуктів плавлення і утворенням абразивної поверхні. В результаті спостерігається значне зношування поверхонь і порушується теплообмін.

Експериментальні дослідження впливу газу на знос клапанів двигуна проводилися відділом Honda R&D Co Ltd на спеціальному стенді, що імітує роботу сідла та клапана двигуна Honda Civic GX L4 SOHC VTEC. В результаті встановлено, що при використанні метану зношування впускних клапанів відбувається в 90 разів, а випускних клапанів в 30 разів швидше, ніж на бензині. При цьому вищому температурному навантаженню піддаються впускні клапани (їх температура в порівнянні з бензином була на 30 ºC вище), а температура випускних клапанів і на газі і на бензині була приблизно однаковою. Однак, з досвіду експлуатації двигунів на газі відомо, що страждають насамперед випускні клапани. Крім того, детальні дослідження показали, що серед основних факторів визначальних зношування клапанів є не більш висока температура горіння газу, а відсутність у газі добавок, які певним чином захищають дотичні поверхні сідла і клапана, а вже вдруге покращують термообмін між ними.

На практиці зношування клапанів на газовому паливі зустрічається вкрай рідко і, особливо, в наших умовах. Тим не менш, читачеві необхідно знати, що робити для підвищення довговічності двигуна після переобладнання автомобіля на газ. Матеріал, з якого виготовляються клапани та сідла, а також їх розміри та пристрій головки блоку циліндрів є основними факторами, що визначають знос клапанів під час роботи на газі.

Прогорання клапанів спостерігається у автомобілів Toyota, Honda, Daihatsu та у старих американських автомобілів, призначених для використання етилованого бензину. Раніше, коли до бензину додавали тетраетилсвинець, який підвищував октанове число, свинець створював на поверхні сідел і клапанів плівку, яка захищала ці деталі. При встановленні на автомобілі цих марок газових систем живлення першого та другого покоління пробіг автомобілів до ремонту головки блоку циліндрів міг знижуватися до 30-40 тис. км.

Найкращим рішенням збільшення довговічності є заміна матеріалу сідел та клапанів на матеріал Stellite, використання якого дозволяє знизити просідання клапанів до 87%. Конструкція головки також впливає на температуру клапанів. Логічно, що у двигунів із 4 клапанами на циліндр теплообмін значно гірше, ніж у двигунів із двома клапанами на циліндр. Особливість конструкції системи охолодження багатьох двигунів така, що насамперед страждають випускні клапани крайнього циліндра (1-го).

Всім автолюбителям відомо погану якість нашого газу, а виявляється вся справа в тому, що нам ллють зовсім не те, що належить. Цей газ (пропан-бутан) за ГОСТ 20448-90 називається комунально-побутовим. У його складі міститься велика кількість домішок, зокрема високомолекулярні вуглеводні – олії. У народі їх називають просто – конденсат. Цю домішку на автомобілі дуже складно позбутися і, накопичуючись у редукторі, вона порушує його роботу. Для її видалення рекомендується періодично зливати цей конденсат із редуктора. Якість газу може впливати подвійно: порушувати дозування подачі палива в двигун з одного боку, але з іншого маслянисті (не смоляні) добавки потрапляючи в двигун, є відмінним мастилом для клапанів і покращують термообмін із сідлом.

У Європі використовується автомобільний газ із високим ступенем очищення, і конденсату в редукторі утворюється дуже мало. Тому в конструкції деяких іноземних редукторів не передбачено зливних штуцерів. На жаль, спеціальних досліджень щодо впливу конденсату на довговічність клапанів газових автомобілів не проводилося. Точність дозування палива на різних режимах роботи двигуна визначає його довговічність і, зокрема, термін служби клапанів. Відомо, що робота двигуна на бідних сумішах бензину або газу супроводжується підвищенням температури горіння та зносом клапанів.

Однак виявилося, що для газу температура горіння також вища і на багатих сумішах. На жаль, основна частина газового обладнання, що встановлюється на автомобілі в Росії, - це обладнання карбюраторного типу. Крім зниження потужності, збільшення витрати палива, займання паливоповітряної суміші у впускному колекторі, неминучі режими різкого збіднення або збагачення горіння суміші зі зміною температурного режиму. У зв'язку з тим, що швидкість горіння газового палива значно повільніша за бензин, слід передбачати зміну кута випередження запалення (рис.2). Така зміна передбачена не у всіх газових системах живлення. Тому, у кращому разі, на практиці установники просто зрушують розподільник запалювання на вічко. У сучасних двигунах це можна зробити за допомогою спеціальних пристроїв – процесорів випередження запалення.

Мал. 2. Базова характеристика керування кутом випередження запалювання

Виходячи з розглянутого можна сказати, що додатковими причинами пошкодження елементів газорозподільного механізму автомобілів є:

• Несвоєчасне технічне обслуговування газової системи живлення в кращому разі або повна його відсутність. Наприклад, зниження пропускної спроможності фільтра очищення газу викликає порушення дозування газу. Найчастіше це викликає збіднення паливоповітряної суміші, і наслідки, що випливають звідси.
• Неправильне регулювання газобалонної апаратури.
• Несвоєчасне технічне обслуговування двигуна на бензині.

Несвоєчасна заміна свічок запалювання, високовольтних проводів, призводить до несправностей у системі запалення та викликає зворотні спалахи у впускному колекторі. При роботі двигуна на газовому паливі збільшується опір паливоповітряної суміші і для її запалення необхідно на 20% більше енергії. Тому свічки запалювання необхідно міняти частіше, ніж на звичайному двигуні, що працює на бензині.

Процес розподілу палива циліндрами на карбюраторних двигунах також має критичне значення.

Історично склалося, що ГБО зароджувалося в Італії наприкінці 40-х років, а новий, потужний та якісний розвиток отримав у Нідерландах. Справа в тому, що національні вимоги до ГБО в Голландії одразу були встановлені на вищій планці. У результаті високотехнологічні системи, в основному, розроблялися в Голландії, а Італія тиражувала і тиражує системи без відповідних випробувань і за нижчими стандартами.

Більшість імпортних автомобілів із газовими системами харчування надходять до України з Нідерландів та Бельгії. Причина популярності газобалонних автомобілів у цих країнах не тільки економічна, яка в ринкових відносинах є однією з головних, а й усім відомими перевагами газового палива порівняно з бензином та дизельним паливом. Місцевий уряд, окрім запровадження податкових пільг для власників газобалонних автомобілів, стежить за безпекою використання таких автомобілів, висуваючи підвищені вимоги як до виробників, так і до установників газових систем живлення. Грамотне використання законодавчих та економічних важелів у цих країнах дозволило створити умови для ефективного розвитку газобалонних автомобілів. Розроблено системи розподіленого упорскування газу з послідовним управлінням, які з 1999 року встановлюються на сучасні автомобілі та забезпечують виконання автомобілем норм токсичності ЄВРО-4 на газовому паливі.

Газова система DGC. Ця система була розроблена фірмою AG Autogas Systems у Нідерландах та є системою 2-го покоління (DGC – digital gas carburetion). По суті, це газовий карбюратор з електронним регулюванням якості суміші за кисневим датчиком (рис. 3).

Мал. 3. Газова система DGC (ГБО 2-го покоління)

Слід коротко пояснити, як така система працює, щоб зрозуміти можливе підводне каміння. Газ з балона надходить у електромагнітний клапан газу, очищається від домішок і подається до редуктора-випарника, в якому відбувається його випаровування та зниження його тиску до робітника.

Потім газ надходить у змішувач, пройшовши електричний дозатор газу. У змішувачі відбувається змішування газу з потоком повітря та утворення газоповітряної суміші, яка надходить у циліндри двигуна. При цьому весь об'єм колектора впускного заповнений газоповітряною сумішшю. Склад суміші регулюється електронним блоком керування за допомогою електричного дозатора залежно від режимів роботи двигуна.

Електричний дозатор газу встановлений в редукторі і є клапаном з поршнем, що переміщується кроковим двигуном.

Так зване калібрування такої системи зводиться до визначення положення цього поршня залежно від навантаження на двигун, положення датчика дросельної заслінки та сигналу з датчика кисню.

Ні про яку швидкодію цієї системи і мови бути не може (порівняно з системою упорскування газу), оскільки є велика затримка між аналізом якості згоряння суміші та управлінням дозатором газу. Крім того, можуть виникнути режими збіднення газоповітряної суміші, які призводять до займання у впускному колекторі. В результаті відбувається «бавовна» із руйнуванням колектора та пристроїв, розташованих у ньому. Такі системи в Нідерландах перестали застосовуватися ще на початку 1993 року після розробки систем із розподіленим упорскуванням.

Інша справа – розробка фірмами Honda і Volvo двигуна, що працює на метані. Але це зовсім інший двигун і про нього окрема розповідь.

За досвідом роботи провідних фірм Голландії, що виробляють газове обладнання, двигуни на яких прогорають клапани одиниці. Це двигуни Toyota, Honda, Daihatsu та старих американських автомобілів.

Наведені дані ставлять під сумнів можливість встановлення газової системи на будь-який автомобіль.

Ми заявляємо, що навіть на автомобілях з двигунами, що мають високу чутливість до зношування клапанів, можна поставити газову систему, але тільки разом з пристроями, які дозують добавки, що покращують теплообмін клапана з сідлом.

Однією з таких присадок є спеціальна рідина Flashlube. Балончик із цією рідиною встановлюється під капот автомобіля. Рідина дозується спеціальним пристроєм і подається до впускного колектора після дросельної заслінки (рис.4).

Мал. 4. Подача спеціальної рідини, що покращує теплообмін між клапаном та сідлом.

Ефективність використання присадки Flashlube була перевірена експериментальними дослідженнями на фірмі AG Autogas Systems. На двигуні B203BB3 автомобіля Honda CR-V, обладнаного пропан/бутановою газовою системою, було встановлено врізання у впускному колекторі для введення рідини між другим і третім циліндром. Контроль просідання клапанів виконувався за 10 тис. км пробігу автомобіля.

Мал. 5. Результати дослідження зношування клапанів на двигуні B203BB3, автомобіля Honda CR-V, при роботі на пропан/бутані. Подача рідини між другим та третім циліндром.

Мал. 6. Подача рідини до всіх циліндрів двигуна.

Результати наочно демонструють переваги використання присадки Flashlube. Систему подачі присадки Flashlube можна встановлювати на карбюраторні та інжекторні двигуни.

На двигуни з сучасними системами упорскування бензину встановлюватиме тільки впорсковане газове обладнання. На двигунах Toyota, Honda, Daihatsu та американські автомобілі випуску до 1980 року встановлювати Flashlube. По можливості при першому технічному обслуговуванні газової системи перевірити просідання клапанів.

Так вже в нас прийнято, що будь-яку найкращу техніку можна зіпсувати неправильною експлуатацією. І причина тут не лише у нашому характері, а й у нестачі достовірної інформації.