ГАЗОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ CUMMINS

Самые первые двигатели внутреннего сгорания были газовыми. Бельгиец Жан Этьен Ленуар и немец Николаус Отто, каждый по отдельности работая в XIX столетии над этой революционной для человечества темой, не располагали никаким другим топливом, кроме светильного газа. Впоследствии для обеспечения процесса испарения жидкого топлива (бензина или солярки), фактически — ​для перевода его в газообразное состояние, придумали карбюратор и ТНВД с форсунками. Казалось бы, все наладилось, но дефицит автомобильного топлива, рост цен на нефть не раз в ХХ веке заставляли искать альтернативу бензину. И применяли все, что горит: ​от спирта до древесной щепы. Поэтому немудрено, что в линейке продукции любого моторостроительного предприятия обязательно были или есть газовые двигатели, созданные обычно на основе бензиновых моторов или конвертированные из дизелей.
Но все же при упоминании фирмы Cummins у российского автомобилиста нет других ассоциаций, кроме как с дизелем. А зря. Хотя история Cummins Engine Company началась в 1919 году действительно с одноцилиндрового промышленного дизеля мощностью 6 л.с. Талантливый механик Клесси Камминз сумел разглядеть в дизеле перспективу, несмотря на то, что в те времена самыми распространенными моторами были бензиновые карбюраторные. И эти без малого 100 лет компания занимается совершенствованием рабочего цикла и конструкции дизелей, находится на острие прогресса в дизелестроении. Однако у Cummins Inc. есть и газовые моторы, очень актуальные по нынешним временам, которые созданы на основе практически всех дизелей в линейке. Чтобы успешно производить и дизели, и газовые моторы, нужен очень серьезный конструкторский и технологический потенциал, помноженный на большой опыт в производстве. Мощностной диапазон таких двигателей Cummins просто огромный: от автомобильных «шестерок» 5,9 литра и 150 л.с. и вплоть до промышленных V-образных 18-цилиндровых двигателей с поршнем диаметром 180 мм и объемом (внимание!) 91 литр! У таких монстров в технических характеристиках указывается не мощность на коленвалу, а мощность электрогенераторной установки, вращаемой этим двигателем. Но для автомобилей и спецтехники, конечно же, столь огромные двигатели не нужны. В качестве топлива у газовых Cummins чаще всего применяется природный газ — ​метан, тогда в обозначении присутствуют буквы CNG (сompressed natural gas, или по-русски ​"компримированный (сжатый) природный газ) или LNG (liquefied natural gas — ​сжиженный природный газ), или просто слово «gas». Хотя бывают и «пропановые» моторы с обозначением LPG. Часто указывают метановое число газа (т.е. не цетановое и не октановое). В основном это число не ниже 65−75 единиц, но в любом случае октановое число газа выше бензина А‑92 и доходит до 105 единиц. Воспламеняют газовоздушную смесь в цилиндрах искровые свечи зажигания, то есть моторы работают по циклу Отто. Но, конечно же, используют не батарейную систему зажигания с распределителем и контактами, а электронную High-Energy Ignition System с высокой энергией.
Из почти 20 заводов, входящих в корпорацию Cummins Inc., разработкой и производством газовых двигателей для автомобилей занимаются в США, Китае и в Индии. А большие промышленные газовые силовые установки проектируют и выпускают в США и Великобритании. Еще их выпуск организован в Индии.

Cummins в Новом Свете

Если вы, пытаясь глубже разобраться с газовыми Cummins, захотите полазить в интернете, ​тогда набирайте То есть к бренду Cummins добавляется слово Westport. Дело в том, что все производимые в США газовые двигатели Cummins CNG часто имеют в обозначении название Westport. Это итало-канадская компания, которая специализируется на разработке и выпуске топливной газовой аппаратуры, и именно ей принадлежат известные бренды по производству ГБО: OMVL, Valtek и EMER. Кроме Cummins с ней работают Volvo, Caterpillar и другие производители газовых двигателей. В России с Westport сотрудничает «Группа ГАЗ» по газовому двигателю на основе УМЗ‑4216 для метановой версии «ГАЗели-Бизнес», а также для его более современной версии — ​мотора Evotech 2,7. Газобаллонное оборудование Westport поставляется на конвейер КАМАЗа, Ликинский автобусный завод, на ПАЗ. Современные газовые двигатели ЯМЗ серии «530» тоже созданы в сотрудничестве с компанией Westport.
Гамма газовых моторов Cummins Westport, выпускаемых в Америке, начинается с рядных «шестерок» Cummins B Gas Plus размерности 102×120 мм, которые во многом унифицированы с Cummins серии В 5,9 литра. Их мощностной диапазон 150−230 л.с.,
крутящий момент — ​от 569 до 678 Н. м, экологический уровень — ​Евро‑3 и Евро‑5. Но есть еще и моторы увеличенного до 6,7 литра объема.

Более мощные моторы — ​Cummins С  Gas, их объем 8,3 литра, размерность 114×135 мм, поэтому и диапазон мощности увеличен — ​от 250 до 280 л.с., момент от 895 до 1152 Н.м. Они укладываются в нормы Евро‑4 и Евро‑5. Дизель конструктивно схож с Cummins С и имеет одинаковый с ним диаметр поршня, но больший ход — ​ это Cummins ISL объемом 8,9 литра. Газовый Cummins ISL G развивает мощность от 250 до 320 л.с. и момент от 990 до 1356 Н. м, нормы Евро‑5 и Евро‑6, плюс специфичные для США Certification Level — ​уровни сертификации CS 5 и EPA 13.

Самый большой газовый мотор для транспортных средств, выпускаемый в Америке, — ​Cummins Westport ISX 12G объемом 11,9 литра, размерностью 130×150 мм. Его мощность 320−400 л.с., момент Н. м, уровень токсичности EPA 13. Двигатель ориентирован на Heavy-Duty Truck (​для тяжелых грузовиков), и это несмотря на то, что по мощности он несколько проигрывает дизелю Cummins ISX 12, у которого диапазон от 310 до 425 л.с.

Интересно, что в семействе Cummins ISX есть и 15-литровый дизель, размерностью 140×165 мм, мощностью от 440 до 600 л.с., но его не конвертировали под газ. Между тем Cummins ISX 15 широко применяется как флагманский мотор на американских седельных тягачах: Volvo VHL 670, VNL 630, VNL670 и на VNL780, на International 9200i, 9400i и 9900i, на Kenworth T600, T2000 и T800B, а также на PETERBILT 387. То есть газовый Cummins Westport ISX12 G все же более бюджетный мотор.

Три мотора из Китая

Казалось бы, следующим после Штатов центром конструкторской мысли, где неустанно трудятся над газовыми моторами Cummins, должна быть Европа, в частности, ​Великобритания. Именно в Шотландии после Второй Мировой войны, в середине 50-х годов, у американской компании Cummins появился первый заграничный и тем более ​европейский моторный завод. Позже производство перенесли в английский город Дарлингтон. Английскими моторами комплектовались и комплектуются поныне некоторые европейские грузовики — ​DAF LF, Iveco Cargo, чешская AVIA… Судя по европейским автомобильным выставкам, на грузовиках и автобусах все чаще можно увидеть газовые баллоны. А Нидерланды и Италия вообще в традиционных лидерах по продвижению на рыное газобаллонных автомобилей. Кроме того, в промышленном исполнении эти моторы устанавливают на строительную и сельскохозяйственную технику, а там тоже нужны экономичные, экологичные и тихие газовые двигатели. Однако кроме США газовые моторы Cummins CNG разрабатывают не в Европе, а в Азии. В Китае, в городе Ухань, расположен исследовательско-технический центр Cummins по двигателям, работающим на природном газе. Уже одно только это говорит о высоком уровне современных китайских инженеров. В этом центре проектируют и отлаживают газовые моторы объемом от 6,7 до 12 литров. Почему именно такой диапазон? Несмотря на то, что в КНР, в Пекине, для производства дизелей Cummins ISF 2.8 и ISF 3.8 в 2009 году был специально построен моторостроительный завод Beijing Foton Cummins Engine Company, газовых версий этих моторов нет. Но в Китае налажено производство Cummins ISB объемом 6,7 л и Cummins ISL 8,9 литра. Кроме того, именно там выпускают современный 12-литровый дизель Cummins ISG12. Тем самым «газификацией» могут быть охвачены три семейства двигателей для широкой гаммы грузовиков, автобусов и спецтехники мощностью от 190 до 500 л.с. Более чем достаточно. Исследовательский центр Cummins располагает современным оборудованием по доводке двигателей. Есть газо-анализаторы, позволяющие точно настроить процесс сгорания в цилиндрах, разбираться, как те или иные изменения влияют на характеристики, есть динамометрический стенд для моторов мощностью до 370 кВт и до 2400 Н. м крутящего момента. Причем используется оборудование известной австрийской инжиниринговой фирмы ​AVL List. Все это позволяет разрабатывать и отлаживать газовые двигатели от уровня Евро‑3 до Евро‑6.

Самый «маленький» из серийно производимых в Китае газовых моторов — ​рядная «шестерка» Cummins B 6.7GE 5 объемом 6,7 литра размерностью 107×124 мм. Диапазон мощности от 190 до 255 л.с., момент от 650 до 860 Н. м, уровень токсичности Евро‑5. Мотор устанавливают преимущественно на автобусы длиной от 8 до 12 метров, на грузовики-среднетоннажники полной массой от 12 до 16 тонн и различную спецтехнику.
Более мощный мотор Cummins L8.9GE 5 устанавливают на еще более длинные и вместительные городские автобусы, а также на междугородние и туристические автобусы, более тяжелые грузовики и спецтехнику. У Cummins L8.9GE 5 рабочий объем 8,9 литра, мощность от 250 до 320 л.с., диапазон крутящего момента Н. м, Евро‑5.
Третий мотор — ​Cummins ISG12G — ​фактически флагманский. Его объем 11,8 литра, размерность 132×144 мм, мощность от 350 до 400 л.с. крутящий момент в диапазоне Н. м, Евро‑5. Предназначен только для городских и междугородних автобусов длиной более 12 метров и тяжелых грузовиков. Опять-таки, по характеристикам газовый ISG12 проигрывает дизелю: ​если жечь солярку, диапазон мощности от 350 до 500 л.с., максимальный момент до 2300 Н.м. Но скорее всего потеря 100 сил — ​временная перестраховка по настройкам газового двигателя, и в дальнейшем мы увидим 430−450 л.с. в характеристиках.
Собственно, эти три газовых мотора производства КНР и будут поставляться в Россию: Cummins B 6.7GE 5, Cummins L8.9GE 5 и Cummins ISG12G. Область применения — ​та же самая, что и у китайских товарищей.
Сейчас у нас используют два газовых Cummins, и оба на автобусах «Группы ГАЗ». На городских ЛИАЗ-529 370, ЛиАЗ‑529 267 и ЛИАЗ‑525 657 устанавливают Cummins CG8.3 объемом 8,3 литра, мощностью 255 л.с. при 2400 об/мин и 1020 Н. м при 1400 об/мин. А городской КАВЗ‑4270 и пригородный КАВЗ‑4238 шел с Cummins BGE 5 объемом 5,9 литра, мощностью 230 л.с. при 2800 об/мин и 678 Н. м при 1800 об/мин, а теперь поставляется с В6.7 G.
Дивизион «Автобусы» «Группы ГАЗ» в период с 2005 по 2015 годы изготовил около 1500 автобусов различных марок и моделей с газовыми двигателями. И этот крупнейший в России производитель автобусной техники на газовом топливе объемы производства таких автобусов собирается только увеличивать. Однако в 2018 году применение любых импортных газовых моторов на ЛИАЗах, КАВЗ и ПАЗах будет прекращено: ​им на смену идут ЯМЗ‑534CNG и ЯМЗ‑536CNG. От этого пострадают не только Cummins, но и MAN — ​немцы тоже поставляли двигатели в Ликино. И дело не в том, что их моторы плохие, а ЯМЗ хорошие, а в том, что Ярославский моторный завод входит в состав «Группы ГАЗ». Имея свои моторы, отдавать немалые деньги на сторону ​нет смысла — ​как говорится, ничего личного, только ​бизнес. Зато начинает интенсивно разворачивать использование газовых двигателей КАМАЗ, и здесь уже свои «родственные связи», которые, наоборот, играют на руку Cummins.
Все же не зря с осени 2006 года в Челнах работает СП «Камминз Кама», где сначала освоили выпуск «четверок» и «шестерок» Cummins ISВ, а в марте 2017 года поставили на конвейер и Cummins ISL. Можно с уверенностью говорить, что на основе уже выпускаемых дизелей наладить еще и производство газовых моторов для «Камминз Кама» — ​не проблема. Сил и опыта этому заводу ​не занимать. И главное — ​эти газовые моторы есть куда устанавливать, причем вместо двух импортных моторов Cummins CG8.3 и Cummins BGE 5 будет один отечественный Cummins. Даже несмотря на кризис, хорошо продавались и продаются самосвалы КАМАЗ‑65 115 с дизелем Cummins ISВ и КАМАЗ‑6520 с дизелем Cummins ISL, а у каждой из этих моделей есть еще отдельные «модельные ветки» седельных тягачей, бортовых грузовиков и различных шасси. При наличии АГНКС эксплуатация аналогичных грузовиков на метане, особенно при небольшом плече перевозок, как у самосвалов, становится очень выгодной. В первую очередь актуальны коммунальные городские автомобили. А газовые автобусы НЕФАЗ кроме экономических показателей подстегнут и желание жителей городов дышать чистым воздухом. О серьезности подхода ПАО «КАМАЗ» к газобаллонным автомобилям говорит тот факт, что на автозаводе создано специализированное производство — ​корпус газовых автомобилей, где устанавливают баллоны и всю газовую аппаратуру. И за три года его существования там освоена сборка восьми моделей большегрузов. Одна из новинок этого направления — ​газодизельный седельный тягач КАМАЗ‑5490, на котором стоит мотор Daimler OM 457, а ведь 12-литровый Cummins ISG12G туда встанет ничуть не хуже. Еще один более чем возможный потребитель газовых моторов Cummins — ​Минский автозавод, с его грузовым и автобусным производством.

Ряд отличий

В газовых моторах Cummins не так уж и много изменений в сравнении с дизельными версиями. Они очень глубоко унифицированы. Рассмотрим это на примере отличий газового Cummins ISВ от дизельного как наиболее вероятного мотора для поставок в Россию и возможности организации производства в Набережных Челнах.
В том, что газовые моторы Cummins минимально теряют мощность при работе на метане (с его низкой теплотворной способностью!), велика заслуга схемы ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр, интеркулера и турбины. С атмосферных двигателей такой мощности не снять. От дизельного Cummins ISB 6.7 у газового мотора сохранены блок цилиндров, маховик, коленвал, масляный и водяной насосы. Фактически осталась прежней вся система смазки и охлаждения. Из новых компонентов: оригинальная турбина, распредвал со специально настроенными фазами газораспределения, измененная головка блока цилиндров, клапанная крышка, впускной коллектор, поршни. Степень сжатия не 16−17 единиц, как обычно на дизеле с турбонаддувом, а всего 11,5 — ​для этого изменили поршни, именно в них находится камера сгорания. В двигателестроении у газовых моторов есть весьма сложная зависимость степени сжатия от применяемого газа — ​с его метановым числом от диаметра поршня, формы камеры сгорания. Чаще всего ее устанавливают в диапазоне от 10 до 12 единиц, а применение микропроцессорных систем зажигания и датчиков детонации позволяет двигателям работать без разрушительного «звона пальцев». Для поршней применяется более жаропрочный алюминиевый сплав, чем для дизеля, часто легированный медью и никелем. Поршни для газового мотора могут быть снабжены специальным каналом для принудительного охлаждения маслом. Кроме того, остаются и обычные форсунки для впрыска масла во внутреннюю полость поршня — ​так улучшают охлаждение днища.
Свечи зажигания вкручивают фактически на место установки форсунок у дизеля, между клапанами. Очень важно, что у газовых Cummins свечи можно заменить не снимая крышки клапанной коробки. В оригинальной алюминиевой крышке под свечи есть шесть стальных колодцев, они уплотнены резиновыми кольцами. На каждой свече установлена своя, индивидуальная для каждого цилиндра катушка зажигания. Свечи применяют особые, разработанные специально для газовых двигателей. По характеристикам они не взаимозаменяемы со свечами бензиновых моторов. Но резьба — ​М14×1,25, как у большинства бензиновых моторов. Специалисты Cummins Inc. разъяснили, что у компании есть несколько поставщиков свечей зажигания, но они всегда продаются только с обозначениями Cummins, и никаких других признаков производителя там нет. Свечи могут быть или трехэлектродными, или с одним электродом — ​такие применяются на китайском моторе. Для информации: на газовые моторы других производителей ставят специальные жаропрочные свечи с платино-иридиевыми электродами. Обычно такие свечи выпускают Denso или Bosch — ​несмотря на большую термическую нагрузку их должно с запасом хватать на 30 тысяч километров пробега.
Как правило, газовые форсунки с электронным управлением запитываются от общей рампы, тогда это многоточечный фазированный впрыск газа во впускной трубопровод перед впускными клапанами. Второй вариант, когда газовые форсунки стоят в специальном блоке, в диффузоре, выше дроссельной заслонки. В таком случае количество форсунок зависит от модели мотора и вида газа — ​сжатый или сжиженный. Обязательно есть дроссельная заслонка с электронным управлением и электронная педаль «газа». На американских моторах применяется дроссельная заслонка компании Woodward. Это еще один из крупнейших в мире производителей газового оборудования и систем управления. Вообще электронное управление зажиганием и подача топлива у газового двигателя существенно отличаются от дизеля и схожи с современными системами обычного бензинового мотора. Есть типовой набор датчиков: положения распредвала и коленвала, положения дроссельной заслонки, датчик детонации. Количество подаваемого газа зависит от количества воздуха, требуемого двигателю в данный момент. Есть лямбда-датчик, создающий обратную связь блока управления, для точного определения состава газо-воздушной смеси. Большинство газовых моторов Cummins работает на бедных смесях 1:23, лишь ISL G спроектирован под стехиометрическую смесь. Что особенно ценно для России — ​газовое оборудование жизнеспособно при морозах до 40 градусов и мотор заводится лучше, чем дизель! Хотя предпусковой подогреватель в морозы — ​вещь далеко не лишняя.
Важный момент — ​периодичность технического обслуживания и замена моторного масла. Здесь все зависит от условий эксплуатации. Для автомобилей и автобусов, эксплуатирующихся в городских условиях, пробег до замены 12 тыс. км. Использовать надо только специальное масло для газовых моторов с индексом CNG, допуск по классификации Cummins CES 20 074, например, Valvoline Premium Blue GEO M‑74. Не стоит удивляться, ​почему так мало служит масло, при том что обычно у газовых двигателей оно и цвет, и прозрачность сохраняет дольше, и почти не загрязняется частицами сажи. Однако контролировать только по этому показателю необходимость его замены не стоит, так как не отследить, что масло теряет вязкость и вырабатываются присадки. Но мотор Cummins B 6.7GE 5 255 л.с. по большому счету ​форсированный. Ведь у наших бензиновых двигателей ЗИЛ‑130 и ЗИЛ‑375 тоже объем был 6 или 7 л, а больше 180 сил с них не снимали, и это при оборотах 3200.
Заявленный ресурс газовых моторов — ​более 500 тыс. км, то есть он не должен быть ниже, чем у дизелей. У газовых моторов большие по размеру, чем у обычных карбюраторных двигателей, шейки коленвала, более прочный блок цилиндров, особые «дизельные» материалы и технологии упрочнения. Известно, что износ поршневой группы у газовых моторов всегда меньше, чем у бензиновых и дизельных. Газ не смывает масляную пленку с поверхности цилиндров.
Однако все современные газовые моторы дороже, чем их дизельные аналоги. Вместе с тем двукратная разница в стоимости метана и солярки покрывает все возможные издержки на приобретение автомобиля с ГБО, увеличенные расходы на техобслуживание и диагностику. Мировой опыт эксплуатации автомобилей с газовыми двигателями подтверждает это.

Информация

Природный газ — ​один из самых дешевых видов топлива для автомобиля. Газомоторное топливо в два раза (и даже больше!) дешевле солярки. Это признано во всем мире. По газовой тематике работают все ведущие производители грузовиков и автобусов, на метане ездят даже в тех странах, где нет своего газа и его приходится закупать за рубежом. Но по объемам производства выпуск газобаллонных автомобилей, конечно же, существенно отстает от выпуска дизельных и бензиновых транспортных средств. Тем более — ​в России, но у нас ситуация начала улучшаться.
Для масштабного производства в России коммерческих автомобилей, работающих на газомоторном топливе, нужно решить две проблемы. Первая — ​наладить выпуск соответствующих двигателей. Вторая — ​создать разветвленную сеть заправочных газовых станций. Но делать это необходимо одновременно. Иначе перевозчикам окажутся не нужны газобаллонные автомобили без заправок, а «ГАЗПРОМу» нет резона строить и содержать пустые АГНКС в ожидании потенциальных клиентов.
В обозначении модели двигателя Cummins Inc. первые две буквы IS (Interact system) называют двигатель для автомобилей — автобусов и грузовиков, эксплуатируемых на дорогах с твердым покрытием. Буквы QS (Quantum system) указывают на промышленный мотор, который, кроме того, устанавливают на внедорожную автотехнику, различные строительные и сельскохозяйственные машины, на дизельные электростанции большой мощности. Буквами QS также обозначают двигатели электростанций, работающих на газу. Третья буква говорит о семействе двигателя: В, С, L, M. Малая буква «е» обозначает, что двигатель сертифицирован под европейские нормы выбросов евро. Индекс «G» в конце обозначения говорит в некоторых случаях о том, что этот двигатель генераторного исполнения, в других случаях, что он работает на газе. Серия «В» — ​двигатели для средне- и крупнотоннажных транспортных средств. Серия «F» — моторы для легковых автомобилей, пикапов, внедорожников, грузовых автомобилей и фургонов ​LCV. Цифры, 2.8, 6.7, 12 обозначают рабочий объем двигателя в литрах. Индекс Е4, E  5 — ​соответствие определенному экологическому классу.
Мировая тенденция для бензиновых моторов еще с начала 90-х годов — ​применение индивидуальных катушек зажигания для каждого цилиндра, отсутствие высоковольтного распределителя-«бегунка» и крышки. Все это идет на пользу и газовому двигателю. При степени сжатия 10−13 единиц у любого «бензинового» мотора растет давление внутри камеры сгорания и температура воспламенения смеси, увеличивается сопротивление искрового промежутка. У раздельных катушек меньше потери, выше мощность искры.