ГБО. Стратегия сохранения зазоров клапанов / Паливо, ПММ та двигуни

Ну если интересно почитать мои доводы. )))

Наслушался многих сказок о том, что ГАЗ сушит двигатель, что головку от температуры ведёт, клапана от температуры на газу прогарают. Но все эти сказки ни как не относятся к температуре горения газа.
Все такие «знатоки» говорят, что температура сгорания газа выше, при этом некоторые даже заявляют, что гораздо выше, чем у бензина, но никто, на вопрос: «Откуда Вы это берёте?», не приводит цифры, никто не хочет заглянуть в литературу или вспомнить школьный курс физики.
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 = 0.75кг/л
Удельная теплота сгорания = 42-46 МДж/кг (википедия на разных страницах дает разные значения).
Теплота сгорания одного литра = 0.75 * 42-46 = 31.5 - 34.5 Мдж

Отсюда видим, что газ, сгорая, производит меньше тепла, чем бензин.
Но, как выше говорил, горение газа и бензина немного разные, газ горит мягче, так как октановое число у газа выше, в сравнении с бензином. Скорость фронта распространения пламени у газа гораздо меньше, чем у бензина, т.е. ударные нагрузки от бензина гораздо выше, и детонировать бензин может гораздо раньше. Но недостаток этой «мягкости» горения заключается в том, что газ, из-за маленькой скорости фронта распространения пламени, не успевает сгорать до факта открытия выпускных клапанов. Т.е. газ догорает в выпускном тракте. Отсюда и появляется миф о том, что температура горения газа выше, так как, якобы клапана прогорают. Хотя клапана прогорают не от этого. Так как температура их работы не увеличивается, увеличивается лишь температура выпускного коллектора, и всего, что в нём находится, именно по причине медленного горения газа. Клапана быстрее прогорят от бедной смеси, когда температура реально повышается, но тут уж не от наличия газа в авто зависит, от бедной смеси и на бензине клапана перегреются. Реально же температура двигателя и внутренних его частей, при работе на газу меньше, чем при работе на бензине. Но как сделать так, чтобы газ успевал сгореть до открытия выпускных клапанов? Варианта два. Сжать газ, т.е. поднять степень сжатия, что можно достичь, но достаточно затратно и работать двигателю, после, придётся на более высокооктановом бензине. Второй путь – поджечь газ раньше, в сравнении с бензином. В итоге, в момент такта сжатия, газ уже начинает воспламеняться, повышая давление в цилиндре, и в конце такта сжатия, уже горящий газ выполняет работу, успевая при этом догореть до открытия выпускных клапанов. Для изменения угла опережения зажигания и применяют вариаторы. В итоге, мы имеем более высокий КПД на газу, в сравнении с отсутствием раннего зажигания, меньший расход газа и лучшая тяга. Но есть факт в том, что, при работе на газу, клапана у некоторых прогорают.
Каковы причины?
Все «специалисты» в Украине твердят на всех форумах, что из-за высокой температуры горения газа, ответ на это я дал выше. Т.е. температура тут роли не имеет, по причине того, что она ниже. Спрашивать у местных украинских «знатоков» я передумал. Начал изучать технологию сохранения клапанов, которую имеют многие системы ГБО именитых производителей ГБО, так называемые стратегии VSR (Valve Search Research). Начал общаться с представителями BRC, КМЕ. Основной принцип данной стратегии – довпрыск бензина в определённом процентном соотношении к порции газа. Об этой технологии я знал, т.е. о том, что есть факт довпрыска бензина. Но тут существенное различие в том, для чего это делают?! Все установщики, абсолютно все, твердят, что это нужно для уменьшения температуры на высоких оборотах. Хотя я выше показывал, что температура горения бензина, наоборот выше, чем на газу, зачем же тогда добавлять бензин? Можно было бы предположить, что бензин жидкий, попадая в цилиндр, испаряется, тем самым понижая температуру, но ведь после этого он воспламеняется с гораздо большей температурой и на выпускных клапанах мы получим температуру выше.
Пообщавшись с производителями, перечитав массу литературы, могу описать свои умозаключения.
Чтобы должным образом понять феномен усадки (прогара) клапана, нужно понимать, что термин клапан правильно понят. Клапан с двигателем – полностью отдельные детали, первая из которых – сам клапан, а вторая – седло клапана на головке. Из названия VSR мы понимаем, что дело придётся иметь с лишь соприкасающимися частями клапана и седла. Многие производители двигателей используют закалённые клапана, хотя шток, возможно и головка часто бывают не жёсткими. Путаница проблем с клапанами может возникнуть при рассмотрении того, какие части клапана могут пострадать при наличии ГБО в автомобиле. Потому как некоторые неопровержимые заявления поступают от людей, утверждающих, что у них были проблемы с клапанами. Но с проблемой какой части клапана они действительно «столкнулись»? Когда используется термин «клапан», он должен восприниматься как означающий цельный клапан, Т.е. единый узел «тарелка/шток/головка». Но, обращаясь к VSR, нужно рассматривать только проблемы на фаске тарелки клапана. Проблемы с головкой клапана и штоком могут также возникать, особенно в форме деформации головки клапана, но к наличию ГБО это никакого отношения не имеет.
Что такое VSR? Далее буду использовать термин как рецессия клапана. Это тенденция к усадке в части тарелка/седло, что приводит к проседанию клапана вверх в головку цилиндров. Мы знаем что тянут вверх клапан пружины(пружина), и мы понимаем, что нужно это для того, чтобы не было зазоров между седлом и фаской тарелки клапана, такая «саморегулировка» данного уплотнения. Пружины тянут клапан до тех пор, пока он не упрётся в кулачковые элементы, именно здесь должен быть зазор, который обеспечивает правильное уплотнение клапана и седла, если зазора нет, то мы получим падение мощности в цилиндре из-за утечки давления в седле/клапане, и получим меньшее сжатие, при этом, при наличии зазора в точке тарелка/седло, и в итоге мы получим прогар клапана. Т.е. нужно помнить, что для сохранения клапана их нужно регулировать! Но это тоже к наличию ГБО не относится.

Каковы причины рецессии клапанов?
Бринеллинг (Brinelling) - явление разрушения материала , которое происходит, когда статические усилия в месте контакта криволинейных поверхностей приводят к появлению локальных пластических деформаций в одной или в обоих соприкасающихся элементах, в результате чего происходит необратимое изменение формы поверхности
Эрозия – благодаря трению, возникающему в результате вращательного движения клапанов, при закрытии, вызванного винтовой пружиной.
Микросварка (microwelding)

Нужно учесть, что эти все три фактора и их комбинированные эффекты присутствуют, когда двигатель работает на любом виде топлива.

Какие пути уменьшения данных воздействия данных факторов:
Бринеллинг! Его хорошо демонстрирует кузнец, который нагревает металл, который он хочет переформировать, чтобы заставить его течь более легко под его молотом. Все знают, что обрабатываемый металл становится «мягким» (более пластичным), когда он нагревается. Чем больше металл нагревается (до точки, где он становится расплавленным или жидким), тем мягче он станет. Кузнец может изменить форму металла, когда тот холодный, хотя это займет гораздо больше времени. Из этого можно понять, что большее количество тепла может ускорить скорость бринеллинга. Кроме того, скорость изменения формы или текучести металла зависит от его твердости и пластичности при любой заданной температуре. Свинец, медь или золото были бы более удобны в работе кузнеца, даже будучи холодными, тогда как инструментальная сталь должна была бы светиться ярко-желтым светом до того, как тяжелый молот мог бы оставить на ней вмятины. Поэтому твердость металла является фактором, непосредственно влияющим на скорость бринеллинга. В поршневом двигателе головки клапанов работают как в кузнице, забивая в итоге седла клапанов. Чем мягче эти седла клапанов, тем больше они будут изменяться, по мере того, как «течет» их металл. Ясно, что скорость бринеллинга может быть ускорена за счет большего нагревания седла клапана и силы, оказываемой на него, которая тянет клапан вверх. И тут сильно влияет вес клапана. Конструкторы двигателей хотели бы сделать свои клапаны настолько легкими, насколько это возможно, чтобы уменьшить инертность клапана и отсюда силу ударов в месте тарелка/седло. Одним из способов уменьшения силы, действующей на седло, является использование двух клапанов для выполнения одной операции. Это почти вдвое уменьшает вес отдельных клапанов. Многие считают, что 3 или 4 клапана на цилиндр используются для улучшения «дыхания» или потока газа в двигателе (этот вывод правилен). Хотя, по сути, этот же метод используется для уменьшения веса клапанов и, следовательно, уменьшения силы, действующей на их седла, если это конструктивное решение используется, оно минимизирует эффект бринеллинга и замедляет наступление рецессии клапанов.
Эрозия! Это чисто механическая проблема, которую можно преодолеть только путем остановки вращения клапанов. Когда тарелки клапана вращаются, они просто вытирают металл с обеих сопрягаемых поверхностей, а более мягкий из них будет страдать от большей эрозии. Наиболее распространенным решением этой проблемы является использование двух пружин с противоположно направленными спиралями. Поскольку одна пружина должна быть меньше по диаметру, чем другая (одна пружина должна располагаться внутри другого осевым образом), то силы вращения не могут быть полностью сбалансированы, а вращение клапана все равно будет иметь место, хотя оно будет уменьшено. Другое частичное решение для уменьшения эрозии является в смазывании фаски тарелки клапана и седла. Для этого в бензин добавляли свинец, поскольку он обеспечивал эффект смазки для клапана и седла. Но в настоящее время свинец не добавляется к бензину.
Микросварка! Физика учила нас, что любые два подобных металла, которые действительно чисты (вплоть до молекулярного уровня), начнут слипаться вместе, если они будут касаться в течение какого-то времени, часто ещё используем термин диффузия металлов. И чем дольше два соприкасающихся металла находятся в соприкосновении друг с другом, тем больше мы получаем эффект микросварки (закрытые клапана на неработающем двигателе). И чем более похожи металлы и отполированее их поверхности (а для седла клапана и фаски тарелки они должны быть такими), тем быстрее они начнут «спаиваться». После того, как эти соприкасающиеся металлы начать рассоединять, то молекулы металла вытягиваются из обоих частей, что приводит к повреждению поверхности. После длительного повреждения поверхности из-за микросварки тарелка клапана и седло уже не могут создавать герметичное уплотнение, что в итоге приводит к прогару клапана. Самый простой способ предотвратить или затормозить этот процесс это - добавить «Грязь» к поверхностям двух соприкасающихся частей металла. Нужно знать, что сжигание бензина производит большое количество углерода (сажи), в то время как пропан-бутан горит намного чище, чем бензин, и не оставляет углеродистых отложений. Таким образом, более чистое сжигание сжиженного нефтяного газа или природного, фактически приводит и способствует микросварке.

Но почему некоторые двигатели, при наличии ГБО, страдают от рецессии клапанов, в то время, когда другие нет?

Если вышеприведенные факторы понятны, ясно, что существуют два отличия в работе двигателя на бензине и на газу.

И наиболее основная проблема этой разницы – микросварка.

По существу, износ клапана будет происходить немного быстрее при работе на газу, потому что газ горит намного чище. Для предотвращения появления микросварки нет сажи или грязи. В принципе, можно сильно не беспокоиться, этот эффект сам по себе очень мал. И часто жизнь клапана гораздо длиннее жизни автомобиля. )))
Можно избежать, по крайней мере частично, микросварки, поскольку тарелка клапана и седло выполнены из металлов, достаточно различных. На сколько я знаю, клапана делают из углеродистой стали, а седо из стеллита. Есть даже керамические решения, при формировке седла клапана. В интернете даже есть фирмы, предлагающие такой вариант. Еще одно оружие в уменьшении микросварки обеспечивается топливными добавками. Они часто бывают в виде легкого масла, которое, если оно вводится в правильной дозировке, может смазывать головку клапана и поверхности седла, предотвращая указанный эффект. Потому что любое смазочное масло будет в конечном итоге гореть и когда это произойдет, оно заменит недостающую сажу (углерод), которая может многое сделать для предотвращения микросварки.
Также, при наличии ГБО на авто, некоторые фирмы предлагают устанавливать, так называемые капельницы, которые, по мере работы авто на ГБО добавляют жидкость в цилиндры именно для того, чтобы сделать результат горения газа более грязным, а не так, как считают многие ГБОшники, и при этом рассказывающие, что жидкость эта нужна для охлаждения клапана. Но тут тоже нужно помнить, что результат горения данных видов жидкостей может привлечь за собой смерть катализатора. Себе капельницу я не устанавливал.

Теперь снова вернусь к температурному режиму работы тарелки клапана и сёдел. Все противники ГБО настаивают на том, что двигатель на ГБО работает в повышенном температурном режиме, по причине того, что газ имеет бОльшую, в сравнении с бензином, температуру сгорания. Это не более чем миф. У СНГ только 85% теплоты сгорания от такого же количества бензина, поэтому невозможно создать больше тепла, которое составит только 85%.
Часто говорят про эффект охлаждения, вызываемый впрыском влажного бензинового тумана в цилиндр, который испаряясь, охлаждает клапана. Понятно, что подобный эффект не происходит с газом, который уже испарился перед попаданием в цилиндр. В результате этой разницы многие говорят, что двигатель имеет более высокую температуру на клапанах, при работе на газу. Но в целом это не так. Как я указал выше, LPG может произвести только около 85% тепла от того, которое может произвести горящий бензин. Потерянное преимущество охлаждения бензинового тумана на клапанах компенсируется более прохладными температурами сгорания LPG - короче говоря, оба топлива в конечном итоге оказываются примерно одинаковое температурное воздействие на клапана. Даже если предположить, что температура на клапане должна немного повыситься, это не может привести к большему риску рецессии клапана, потому как это не приведёт к такому нагреву седла и тарелки, что они станут настолько мягкими, чтобы начался бринеллинг. (это к аналогии с кузнецом).
Я находил на иностранных сайтах, занимающихся ГБО список автомобилей, имеющих достаточно «мягкие» сёдла и тарелки клапанов. Но верить на 100% в них тоже не нужно. Просто нужно предполагать, что все двигатели могут иметь проблемы с клапанами, и от этого отталкиваться.

Какой двигатель меньше подходит для установки ГБО?

Исходя из написанного выше, понятно, что те, что имеют более мягкие материалы седла и самого клапана, которые не будут сопротивляться бринеллингу. Более того, чем более аналогичны металлы из которых производят клапан и седло клапана тем более будет проявляться эффект микросварки. Вес тарелки и штока клапана также важен, как и жесткость седел клапанов. Двигатель с 3-мя или 4-мя клапанами на цилиндр с большей вероятностью будет лучше сопротивляться рецессии клапана, чем двигатель с 2-мя клапанами на цилиндр. Хотя, если металл этих 3-х или 4-х сёдел будет мягким, выгоды мы не получим. Кроме того, двигатель с одиночными винтовыми пружинами будет больше подвержен эрозии из-за вращения клапана, чем двигатель с двумя противоположными винтовыми пружинами.

Может ли быть повреждён двигатель с клапанами из более «жёсткого» металла?

При работе на любом виде топливе может произойти повреждение клапана! Если клапаны работают слишком горячими из-за неправильной смеси топлива и воздуха, это может привести к бринеллингу и как результат к усадке клапанов. Мы знаем, что неправильная смесь топлива и воздуха, особенно при большем количестве кислорода, приводит к перегреву клапанов. Но как указывал выше, никак это к наличию ГБО не относится.

В заключение, ставить или не ставить ГБО?

Если клапаны двигателя действительно пригодны для работы на современном неэтилированном бензине (в течение разумного промежутка времени), они достаточно хороши для работы на ГБО без каких-либо дополнительных проблем. И очевидным фактом является то, что ВСЕ, абсолютно все, клапаны двигателей в какой-то момент достигнут своего срока службы. Ничто не длится вечно, хотя клапаны с более жесткими тарелками, изготовленные из совершенно другого материала чем головка блока и сёдла, будут, наконец, дольше работать на любом виде топлива. И чтобы защитить свои клапана, то нужно правильно настраивать ГБО, делать довпрыск бензина, и помнить, что большинство современных систем ГБО зависят от работы оригинальной бензиновой топливной системы автомобиля! Если родная штатная система в комплекте с ЭБУ двигателя работает на обеднённой смеси, то на такой же обеднённой смеси двигатель будет работать и на газу. Так как ГБО лишь выполняет то, что делает штатная бензиновая система. И тут проблема не в ГБО, а проблема в автомобиле. Всё это касается 4-го поколения ГБО и выше. Второе же поколение ГБО совсем никак не возможно отследить, в процессе эксплуатации, на всех режимах работы. Поэтому 2-е поколение гораздо вероятнее убьёт клапана на двигателе, особенно в наших реалиях, когда наши водители совсем не ездят не бензине. А даже запускаются на газу.
А фраза «езда на газу- это езда в кредит - платить позже, но больше» тут совершенно не подходит, по причине того, что ГБО окупается гораздо раньше, чем двигатель умрёт, и окупается на столько, что с головой покрывает стоимость ремонта. Но лучше ГБО не устанавливайте, газ дешевле будет для других. )))