Газобаллонное оборудование и мифология

Бывает так, что заблуждения «кучкуются» вокруг какой-то одной темы. С такой темы мы и начнем, и тема эта – расход газа. ГБО ведь ставится не для красоты, а во имя уменьшения расходов на ежедневные поездки. 
Миф1: «Расход газа считается так же, как расход бензина» 
Миф2: «Расход газа на ГБО последних поколений такой же, как расход бензина» 
Миф3: «Расход газа на исправном ГБО не должен быть больше, чем на 10% от расхода бензина». 
Наслушется народ таких вот мифов, и начинается подсчет: вот на бензе у меня был расход 10, на газе – 12, то естьвырос на 20% - почему так много? Вот у чувака на такой же машине с таким же ГБО расход газа вообще снизился – до 9л на сотню. Да и установщики чесали что будет не более чем на 10% больше... Что-то тут не так!
На самом деле, все просто. Принцип работы двигателя при переходе на газ ни капельки не изменился. Это все так же тепловой двигатель, который работает по циклу Отто, превращая тепловую энергию от сгорания топлива в механическую работу по перемещеню автомобиля из точки А в точку Б. 

 

Опа-опа, а что у нас с «тепловой энергией»? Сколько нужно сжечь газа, чтоб получить столько же энергии, сколько дает сжигание одного литра бензина?
Ответ: 1,2 - 1,3 литра в зависимости от количественного состава пропан-бутановой смеси. В среднем – 1,25 литра. То есть – на 25% больше, а ни разу не 10%! Сцуко физика-химия, их ведь не обманешь!

Пропан:
Плотность жидкой фазы = 0.51 кг/л
Удельная теплота сгорания = 48 МДж/кг
Теплота сгорания одного литра = 0.51 * 48 = 24.48 Мдж

Бутан:
Плотность жидкой фазы = 0.58 кг/л
Удельная теплота сгорания = 45.8 МДж/кг
Теплота сгорания одного литра = 0.58 * 45.8 = 26.564 Мдж

Бензин:
Плотность = 0.7кг/л
Удельная теплота сгорания = 46 МДж/кг 
Теплота сгорания одного литра = 0.7 * 46 = 32.2 Мдж

Кол-во литров бутана дла замещения литра бензина = 32.2 Мдж / 26.564 Мдж = 1.21
Кол-во литров пропана дла замещения литра бензина = 32.2 Мдж / 24.48 Мдж = 1.31


Так что же – установщики, да и чувак с упавшим расходом врут? Не поверите – они говорят чистую правду. С их точки зрения прибавка расхода действительно составит 10%.
«Фак мой мозг», скажете вы. Да как это так получается?
А вот так. Расход газа большинство народа считает неправильно, оттого и результаты у всех разные. 
Вот был один вид топлива – бензин – все было просто. Заправил до полного, отъездил «до лампочки», снова заправил до полного. Поделил литры на километры, домножил на 100 – на тебе расход.
Но автомобиль с ГБО при эксплуатации расходует два вида топлива: собственно газ (что логично) и бензин. 

Расход бензина может отсутствовать только у владельцев ГБО первого-второго поколения (эжекторное ГБО. Можно завестись на газе. Не рекомендуется, т.к. это гробит редуктор) и пятого-шестого (впрыск жидкой фазы, редуктора вообще нет). Наиболее популярное инжекторное ГБО4 поколения (впрыск паровой фазы во впускной коллектор) требует прогрева двигателя до температуры 35-55 градусов. Естественно, прогрев происходит при работе двигателя на бензине.

Вот как схематически может выглядеть рядовая поездка с точки зрения расхода двух топлив: 

 

 

Если применить ту же логику, что и раньше, то в формулу закрадывается ошибка – не учитывается расход собственно бензина на участке АВ, который подменяет собою газ при непрогретом двигателе. Даже если собственно движения на газе не происходит (чувак греет автомобиль на месте), и расстояние АВ равно нулю – все равно бензин на прогрев так или иначе расходуется. А зимой его, кстати, уходит не так и мало.
Степень влияния «неучтенного» бензина сильно зависит от среднего пробега автомобиля на один прогрев. Если кто проезжает за раз 5 км, то он действительно получит расход газа меньше, чем до этого был расход бензина – за счет увеличения расход бензина, естественно. А чувак с пробегом в 100-150 км – получит расход газа куда больше. Зато расход бензина у него будет меньше.
Кстати, именно поэтому расход по трассе у «газированных» автомобилей практически всегда соответствует 25% к их бензиновому расходу.
Вот чтобы не заморачиваться более со всей этой сложной темой насчет расхода – прогревы, средние пробеги, город-трасса и т.д., проще всего экономические расчеты по газу и бензину вести через энергоемкость. Ведь любое топливо – это лишь энергоноситель.
Резюме: расход сжиженого газа всегда составляет около 125% от расхода бензина даже при идеальной установке ГБО. 

Следующая группа мифов посвящена температцуре горения газа по сравнению с температурой горением бензина:
Миф4: «Газ горит при более высокой температуре, чем бензин» 
Миф5: «Раз газ горит горячее, то и свечи должны быть с большим калильным числом» 
Миф6: «Раз газ горит горячее, то поршни/клапана/седла сильнее нагреваются, что приводит к их усиленному износу» 
Миф7: «Раз газ горит горячее, то при особо нагруженных режимах нужно переводить двигатель на бензин» [b]
[b]Миф8: «Раз газ горит горячее, то его нельзя применять на турбированных двигателях» 

Ну что же, будем разбираться – а что вообще такое – «температура горения», от чего она зависит, и действительно ли газ горит горячее?
Горение – экзотермическая химическая реакция, в ходе которой кислород воздуха окисляет углеводороды до воды и углекислого газа. Азот в ходе горения не участвует (вернее, почти не участвует – им смело можно пренебречь).
Температуру пламени можно вычислить, исходя из теплопроизводительности сгорания того или иного вида топлива, и теплоемкости продуктов сгорания.
Например, теплота вспышки стехиометрической бензовоздушной смеси в цилиндре двигателя объемом 1,6л составит 1480 джоулей, а теплота вспышки стехиометрической смеси пропан-бутана даст 1420 джоулей. 
Расчеты-пруф под катом:

Удельный вес воздуха = 0.0012041 кг/л при 20 градусах
Удельный вес пропана = 0.002019 кг/л
Удельный вес бутана = 0.002703 кг/л
Удельный вес паров бензина - увы, табличных данных не нашел. Если принять среднюю длину углеродной цепочки 8 атомов углерода, то удельный вес паров можно принять за 0.0045 кг/л

Стехиометрическое соотношение воздух/пропан = 15.6
Стехиометрическое соотношение воздух/бутан = 15.3
Стехиометрическое соотношение воздух/бензин = 14.7

рассчитываем вес горючего вещества

V = m1/r1 m2/r2 ;  V - объем смеси газов, m1 масса воздуха, m2 масса горючего, r1 плотность воздуха, r2 плотность горючего
m1 = S*m2 ;    S - стехиометрическе соотношение

V = S*m2/r1 m2/r2
V = m2 * (S/r1 1/r2)
m2 = V / (S/r1 1/r2)

Или в цифрах:
вес порции пропана = 0.4 / (15.6 / 0.0012041 1/0.002019 ) = 0.0000297375 кг
вес порции бутана = 0.4 / (15.3 / 0.0012041 1/0.002703 ) = 0.00003058911 кг
вес порции бензина = 0.4 / (14.7 / 0.0012041 1/0.0045 ) = 0.00003217888 кг

И, наконец, искомое - теплота вспышки одной порции топливовоздушной смеси:
пропан = 0.0000297375 кг * 48 МДж/кг = 1427.4 Дж
бутан = 0.00003058911 кг * 45.8 МДж/кг = 1401 Дж
бензин =  0.00003217888 * 46 МДж/кг = 1480.2 Дж


Качественный состав продуктов сгорания газа и бензина одинаков, а количественный – почти одинаков: в продуктах сгорания газа содержится чуть больше паров воды. А как известно из справочника, теплоемкость паров воды больше, чем у углекислого газа.
Отсюда вывод: температура горения газа ну никак не может быть больше, чем температура горения бензина. На самом деле – она слегка меньше.
Теоретические расчеты подтверждаются практическими опытами с ЕГТ-датчиком.
А как же остальные мифы этого семейства? Как же свечи «под газ», их же выпускают именитые фирмы типа Denso и NGK. У них же толпа инженеров – они ж не могут быть тупее какого-то киевского программиста? 

 

Ответ таков: инженеры тут ни при чем. Со свечами тут прикол такой же, как с гомеопатическими «лекарствами». Народ верит в их лечащее действие – значит, можно продавать. Хуже ж точно не будет, если в газовый двигатель поставить холодную свечу. Газ тем характерен, что при его сгорании не образуются твердые отложения, и даже холодная свеча отлично работает. Профит! Странно, что вместе со свечами «под газ» не продают также и ремни привода агрегатов «под газ» и коврики в салон «под газ». То бишь балом правят как раз не инженеры, а маркетологи.
Остальные мифы, связанные с температурой горения газа, являются чуть более сложными. Да, если сравнивать температуры горения газа и бензина в одинаковых условиях, то газ горит с чуть меньшей температурой, чем бензин. Но кто сказал, что условия всегда будут одинаковые? Из-за неправильно подобранного оборудования (в первую очередь – редуктора и форсунок), жопорукой установки и кривой настройки условия горения газа могут сильно отличаться от условий горения бензина. Там, где подавалась слегка обогащенная бензиновая смесь (для наиболее быстрого сгорания, что нужно для максимума мощности) такая кривая система может выдать сильно обедненную смесь. Время ее горения будет значительно ниже, чем у богатой бензиновой. А поджигаться она будет исходя из предположения, что с составом все ОК. В результате имеем позднее зажигание и снижение КПД. Как следствие – повышенный нагрев камеры сгорания, турбины (у кого есть) и т.д.
Масла в огонь подливает то, что именно турбированные моторы наиболее критичны к производительности форсунок и редуктора.
Резюме: при прочих равных условиях газ горит при температуре чуть ниже, чем та, при которой горит бензин. При обеспечении правильных условий горения топлива во всех режимах работы двигателя газ не может навредить. При нарушении же условий подачи топлива запороть двигатель можно и на газе, и на бензине: попробуйте-ка понаваливать на «турбе» на бедной смеси - увидите, что станет с двигателем вообще и с турбиной в частности.

Газуем дальше. Группа мифов, посвященных скорости горения газа по сравнению со скоростью горения бензина.
Миф8: «Газ горит медленнее, чем бензин...» 
Миф9: «... и сгорает не в цилиндре, потому что не успевает, а в коллекторе, турбине или даже в катализаторе» 
Миф10: «... и потому двигатель на газе нельзя крутить выше 4000 оборотов в минуту» 
Миф11: «.. и потому, чтоб не угробить двигатель, обязательно нужно править угол опережения зажигания – ставить вариатор или модифицировать прошивку» 
Начнем с самого первого мифа. На самом деле, в одинаковых условиях газ горит примерно на 5% быстрее, чем бензин. Да-да, именно так. Но речь идет именно об одинаковых условиях! А самое главное условие, влияющее на скорость горения топлива - это коэффициент избытка воздуха (λ). Иными словами, если сравнивать горение бензина при λ = 0.86 (богатая смесь, наиболее бысстрое горение) и горение газа при α = 1,25 (бедная смесь, наиболее медленное горение), то миф превращается в чистую правду.
Из буржуинских исследований я вытянул два вот таких графика:

http://users.ugent.be/~lsileghe/documents/...-D-13-00501.pdf, стр. 39. 
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/downl...p=rep1&type=pdf, стр 201


 

 

Обратите внимание, в обоих графиках скорость горения зависит от коэффициента избытка горючего φ (а не коэффициента избытка воздуха λ, как это обычно принято у автомобилистов). λ = 1 / φ, φ = 1 / λ
Левый – это аналитический прогноз. Правый – экспериментальные данные. Исследования никак друг с другом не связанные, напрямую сравнивать их нельзя. Но всегда можно привязаться к изооктану – его-то свойства не могут изменяться от исследования к исследованию. Исходя из левого графика, скорость горения бензина должна быть на ((42,5 – 40) / 40) * 100% = 6,25% выше, чем изооктана.
Стехиометрическая смесь пропана при по факту горит со скоростью 39 см/с, изооктана – 32 см/с. Смесь бензина горела бы на 6,25% быстрее изооктана, или со скоростью 34 см/с. Пропан горит на 5 см/с или на 15% быстрее. Во всяком случае – уж точно не медленнее.
Но посмотрите, что произойдет, если взять горение изооктана при λ = 0,9, а пропана – при λ = 1,25. В таком случае, бензин будет гореть со скоростью 34 см/с * 1,0625 = 36 м/с, а пропан – 26 м/с, о чем я и писал выше.
Нормально подобранное, установленное и настроенное ГБО обеспечивает сгорание газа при таком же λ, как «было запланировано» для бензина. И в этом случае утверждение о газе, горящем в коллекторе – чистой воды миф. И не важно, с какими оборотами крутить двигатель. И ничего страшного, если угол опережения зажигания «под бензин».
Косвенное доказательство – это уже упомянутый расход газа. Ведь если бы газ сгорал в коллекторе, это неизбежно привело бы к падению КПД и, как следствие, возрастанию расхода по сравнению с расчетным. Но т.к. правильно посчитаный расход газа составляет 1,25 от расхода бенина – значит, никакого падения КПД не происходит. А значит – нет и никакого догорания газа в коллекторе.

Так что же, прошивка под газ либо вариатор УОЗ – это тоже гербалайф?
Оказывается, нет. Только дело тут вовсе не в скорости горения газа, а в другой его важнейшей особенности – детонационной стойкости.
Ни для кого не секрет, что даже пропан-бутан имеет октановое число под 100 (метан – около 120). Это дает возможность использовать не тот угол опережения зажигания, который с завода и который в некоторых режимах занижен из-за риска детонации, а теоретически оптимальный. Естественно, это приводит к увеличению КПД, и, как следствие, к увеличению тяги и одновременному уменьшению расхода. Да-да, это вовсе не сказки!
Вот упрощенная схема, спертая отсюда , которая более наглядно иллюстрирует этот эффект:

 

Другое дело, что эффект ощутим только в «детонационно опасных» режимах, а именно – на низких оборотах с высокой нагрузкой. В тех режимах, где фабричный УОЗ и так оптимален, нет никакой нужды его менять.Соответственно, ощутимый эффект от его правки сильно зависит от манеры езды. Кто-то замечает, кто-то – нет. Но одно могу сказать точно: модификация УОЗ совершенно точно не является обязательной.

Искрообразование в газовой среде. Еще раз о «газовых свечах».
Миф12: «Свеча для газа должна иметь меньший зазор, т.к. _______ (подставьте причину на выбор)». 
Выбор свечей для автомобиля – это вообще благодатная для холивара тема, и уже немало копий сломано на тематических форумах в пользу того или иного производителя, той или иной конструкции свечи, выбора зазора и материалов ее электродов.
Снова рассмотрим рекламу «газовой» свечи, однако, сосредоточим внимание на другой части объявления.

 

Производитель «газовых» свечей, в частности в данном случае, эксплуатирует миф о том, что сопротивление газовоздушной среду выше, чем бензовоздушной, и требуется уменьшение зазора.
Проверим-ка это утверждение на практике. Вот снятая мною осциллограмма одной отдельно взятой искры при работе не бензине:

 

А вот на газе (двигатель, обороты, свеча и зазор – те же): 

 

Что мы видим? Вроде бы как да – напряжение пробоя увеличилось на 20%. Что же, производитель прав?!
Не совсем – напряжение горения-то не изменилось. А значит – длительность разряда осталась прежней. А значит – функционально работа свечи на бензине и на газе не отличается.
Опасно ли повышение напряжения пробоя? Конечно, опасно! Да, замена бензина на газ при прочих равных увеличивает напряжение пробоя. Но намного сильнее его увеличивает повышение давления в цилиндре (при открытии дросселя). А еще сильнее – повышение давления в цилиндре при работе двигателя на чистом воздухе, например – когда двигло выкрутили до «отсечки». Да, топливо уже не поступает, но система зажигания продолжает работать. И если катушка из строя не выходит, то уж работу на газе тоже как-нибудь переживет.
Бывает так, что поврежденная система зажигания (с пробоем в проводах высокого напрчжения либо с межвитковым замыканием) «не вытягивает» работу двигателя в тяжелых условиях на газе, но справляется на бензине. В этой ситуации уменьшение зазора действительно работает, т.к. напряжение пробоя снижается, и не происходит пропуска воспламенения.
Но ничего в этом мире не дается просто так. Уменьшение зазора вызывает уменьшение объема плазмы, а это, в свою очередь, уменьшает качество воспламенения. Речь в первую очередь о времени, проходящему от возникновения искры до пика давления над поршнем. Уменьшая зазор, мы отодвигаем этот пик точно так же, как если бы выставили позднее зажигание – со всеми последствиями в виде падения КПД, снижения мощности и увеличения расхода.
Между тем, рекламируемая свеча вовсе не плохая. Она великолепно будет работать как в бензиновом, так и в газовом двигателе. Речь только о том, что и «просто бензиновая» свеча со, скажем, иридиевым электродом, тоже будет отлично работать как на бензине, так и на газе. И нет никакой необходимости бежать сломя голову в магазин, и менять свои «просто бензиновые», но классные свечи, на «особые газовые». Никакой, подчеркиваю, никакой разницы вы не увидите – просто некая сумма денег перекочует из вашего кошелька в кошелек производителя.


Ну что же, пора заканчивать. Последний:

Миф 13: «ГБО могут установить только на специализированном СТО. Установки, сделанные в кустарных условиях – все без исключения опасны» 
Я сам так думал, когда газифицировал свой первый автомобиль. Я тогда вообще ничего не знал о ГБО, и доверил машинку установщикам довольно немаленькой фирмы. Я заплатил деньги, и попросил все сделать на совесть - что они и пообещали сделать. Реальность разочаровала: автомобиль жрал газ как не в себя, тупил в момент переключения. Никто ничего с этим не мог сделать – все разводили руками и футболили по разным спецам: «проверь зажигание!», «у тебя катализатор забит», «обманывают на заправках, а расход нормальный» и т.д.
Короче говоря, я на всех мастеров решил забить и сам стал разбираться. Понемногу стало приходить понимание многих вещей. Вот тогда-то я и стал потихоньку заниматься «мифологией», а именно – анализировал потихоньку доступную информацию на предмет истинности. Результат меня все больше и больше огорчал – я постепенно стал понимать, что 99% установщиков не имеют и 10 классов образования, умеют только повторять схему монтажа и жать кнопку «автокалибровка». Ни о каком глубоком понимании сути работы с их стороны речи вообще не идет. Но машинки на установку приезжают-уезжают, денежку их хозяева платят – красота! Зачем загоняться насчет всяких нюансов насчет скорости/температуры горения газа, вариаторов/прошивок и прочей ерунды? Им же не за это деньги платят!
На данный момент я имею знания и квалификацию круче чем у 99% мастеров-установщиков ГБО, которая позволила мне в 3,5 дня с нуля установить ГБО на мою теперешнюю машинку. Я учел как можно больше факторов – и удобство последующего ремонта-обслуживания, и устойчивость к заправке дерьмовым газом, и защиту от даже малейшего провала мощности в момент исчерпания газа и перехода на бензин. Удобство заправки, в конце концов. Заправочное устройство, например, расположено в лючке так, что он закрывается при закрученном переходнике, тогда как профессиональные установщики в один голос заявляли, что на моем автомобиле такого сделать невозможно. Но вот результат: 

 

Сегодня у меня все. Как видите, я касался только тех заблуждений в сфере ГБО, которые касаются только технической части. Я специально оставил в стороне вопросы рентабельности установки ГБО, безопасности эксплуатации газированных автомобилей, вопроса престижа (точнее, антипрестижа) владения авто с ГБО и т.д.
На всякий случай подчеркну еще раз – я не профессиональный установщик ГБО. То есть, я не зарабатываю себе этим на жизнь. Пост не является рекламой, антирекламой и т.д. – я просто хочу бороться с ложными убеждениями.
Всем добра!