Не газом единым
Идею использовать газ вместе с жидким топливом — газодизель — патентовал еще Рудольф Дизель, однако широкого распространения газодизельный процесс не получил. В современном дизелестроении газодизельный процесс широко использует компания MAN, вернее, ее подразделение, строящее судовые дизеля.
В школьном курсе по физике упоминались (по крайней мере, до прихода попов в школы) идеальные циклы сгорания двигателей внутреннего сгорания: цикл с подводом теплоты при постоянном объеме — цикл Отто; и цикл с подводом теплоты при постоянном давлении — цикл Дизеля. Это теплотехника. Если от теории переходить к технике, то по циклу, близкому к циклу Отто, работают двигатели, в цилиндрах которых сжимается топливно-воздушная смесь, воспламеняемая в конце такта сжатия. В настоящее время общепринято поджигать смесь электрической искрой. На заре автомобилизации бензиновые двигатели работали от калильного зажигания.
Цикл Дизеля
Про дизель, вроде бы, знают все, по крайней мере, кто связан с автомобилями. На самом деле, цикл Дизеля — это когда дополнительным компрессором раздельно сжимают воздух и смесь воздуха с топливом, а подача топлива осуществляется так, чтобы давление в процессе сгорания оставалось постоянным. По этому циклу работают компрессорные дизели. Из-за того, что компрессоры были большими и тяжелыми, Р. Дизель (Рудольф Кристиан Карл Дизель — если быть точным) так и не смог установить свой двигатель на грузовик. Позднее, правда, компрессорный дизель все-таки был установлен на автомобиль.
Существует цикл со смешанным подводом теплоты — цикл Тринклера. Именно цикл Тринклера осуществляется в бескомпрессорных дизелях, в цилиндрах которых сжимается чистый воздух и происходит самовоспламенение впрыскиваемого через форсунку топлива. Цикл был изобретен петербургским студентом Тринклером. Собственно говоря, цикл Отто является частным случаем цикла Тринклера, когда степень изобарного расширения равна единице.
В 1898 г. Густав Васильевич Тринклер (1876-1957 гг.), будучи студентом Петербургского технологического института (с 1894 г.), подал заявку на патент на спроектированный им двигатель, в котором жидкое топливо впрыскивалось непосредственно в цилиндр через форсунку. В 1900-1901 гг. Г. В. Тринклер построил опытный образец своего стационарного дизеля на Путиловском заводе. Он расположил в головке цилиндра форсунку со специальным поршеньком для пневматического распыливания топлива. Изобретатель получил патент только в 1904 г. после пятилетней проволочки. Не получив возможности изготовить двигатель в России, Г. В. Тринклер уехал в Германию, где в 1905 г. его мотор был выпущен фирмой братьев Кертинг в Ганновере под названием «двигатель системы Тринклер». Вскоре такие моторы распространились по всему миру как самые экономичные.
Если цикл Тринклера не идеальный и больше соответствует циклу, реализованному в реальных двигателях, то почему же двигатели Тринклера получили известность как самые экономичные? Все дело в смесеобразовании. Если отойти от классификации по теплофизическим процессам, то двигатели внутреннего сгорания можно различать по внутреннему и внешнему смесеобразованию. Карбюраторные моторы являются наиболее характерными представителями двигателей с внешним смесеобразованием, а дизели — с внутренним (бензиновые моторы с непосредственным впрыском также имеют внутреннее смесеобразование). При внешнем смесеобразовании в цилиндры должна поступать топливная смесь, близкая по составу к стехиометрической с высокой степенью гомогенности с тем, чтобы ее можно было воспламенить. Слишком бедная или богатая смесь, или не гомогенная — просто не воспламенится от искры.
При впрыске топлива непосредственно в цилиндр, как это происходит у дизелей, горение топлива происходит на границе смешивания частиц топлива с нагретым воздухом. Топливный заряд считается стратифицированным (термин «стратификация» происходит от латинских слов stratum — слой и facio — делаю) — таким образом создаются локальные условия создания очагов горения. В зоне расположения форсунки, даже при небольшом количестве подаваемого топлива, будет образовываться смесь, способная к самовоспламенению. Возможность качественного регулирования рабочего процесса позволяет экономить топливо при частичных нагрузках. Но это имеет обратную сторону.
Из-за того, что организовать внутреннее смесеобразование сложнее, дизели долгое время оставались «грязными» в отношении состава отработавших газов. Современный дизель снабжается сложным комплексом устройств, которые улавливают частицы топлива, превратившиеся из-за недостатка воздуха в сажу. Все то, что не сгорело, дожигают (окисляют) с помощью катализаторов. В свою очередь гомогенная смесь, близкая по составу к стехиометрической, сгорает наиболее полным образом и с наименьшими выбросами. Наиболее «чистыми» получаются газовые двигатели, работающие на стехиометрической смеси. Высокая цена систем очистки отработавших газов дизельных моторов — это то, за что стали платить относительно недавно. За дорогостоящую топливную аппаратуру дизеля платить приходилось всегда. При переводе дизеля на газодизельный цикл стоимость мотора и его обслуживания только увеличивается. На сколько — Volvo Trucks скромно умалчивает.
Компания сообщает, что новые грузовые автомобили Volvo FH LNG и Volvo FM LNG могут работать на биогазе, который позволяет снизить уровень выбросов CO2 практически на 100%, или же на природном газе, который уменьшает уровень выбросов CO2 на 20% по сравнению с дизельным топливом. К этому можно добавить, что использование биодизеля дает точно такой же результат.
Все перечисленное выше объясняет бесперспективность газодизельных двигателей. Тем не менее, появление Volvo FH LNG и Volvo FM LNG нужно только приветствовать. В современной линейке автомобильных двигателей пока отсутствуют газовые моторы большой мощности. Volvo Trucks предлагает двигатели Volvo G13C мощностью 460 л.с. с крутящим моментом 2300 Н•м, а для версии мощностью 420 л.с. крутящий момент составляет 2100 Н•м. Газовый двигатель Cummins Westport ISX12 G может предложить только 400 л.с. (298 кВт) с крутящим моментом 1966 Н•м. Подача газа в двигателях Volvo G13C осуществляется через двухтопливные форсунки с отдельными соплами для газа и дизельного топлива. Отработавшие газы очищаются системой SCR и сажевым фильтром. Volvo Trucks предлагает баки для сжиженного газа на 115 кг (275 л), 155 кг (375 л) или 205 кг (495 л). Последнего будет достаточно для пробега на 1000 км.
