Газовое оборудование на авто: характеристики, конструкция, правила установки

Первые силовые агрегаты, работающие за счет сгорания газового топлива, появились ранее бензиновых образцов. Но, тем не менее, были вытеснены на долгие годы этим аналогом, так как устройство газового мотора уступало по уровню мощности бензиновому. Сегодня же эта проблема решена, газовый двигатель внутреннего сгорания является особой разновидностью моторов, работающих по принципу теплового цикла Отто. Для приведения в действие сложного устройства используется газообразное топливо. Большая часть газового оборудования, устанавливаемого на современных автомобилях, функционирует за счет сжиженной смеси пропан-бутан. Но есть и установки, работающие на метане или ином газообразном сырье.

Принцип работы двигателя на сжиженном газе

Классические модели транспортных средств оснащаются силовыми агрегатами на дизеле или бензине. При установке газового двигателя, работающего на сжиженном топливе, наблюдается улучшение работы ДВС. Так, например, запуск мотора в холодное время года улучшается при использовании пропан-бутана. Помимо этого, рабочие циклы внутри блока цилиндров характеризуются большей устойчивостью и равномерностью горения, чем при работе на бензине/дизеле. Главное преимущество работы на сжиженном веществе – чистота топлива. В его составе занижено количество окислов металлов, серы и прочих вредных примесей, негативно сказывающихся на функционировании мотора.

Обратите внимание!

При переоборудовании бензинового мотора на газовое топливо учитывайте, что сжиженное вещество характеризуется меньшей плотностью, поэтому показатель расхода увеличивается. К примеру, машина на сжиженном газе пройдет 0.8 того пути, который она смогла бы преодолеть, используя бензин.

Также в сжиженном газе нет свинца, который добавляется производителями в бензин для улучшения некоторых его свойств. Таким образом, газовые двигатели, использующие сжиженное топливо, более долговечны в эксплуатации. В процессе работы газовая топливная система производит меньшее количество нагара, углеродных образований внутри цилиндров. Эксперты отмечают, что сжиженная газовая смесь характеризуется высшим октановым числом, чем бензиновое топливо. А, значит, степень сжатия подобного вещества выше, поэтому возрастает и уровень КПД силового агрегата.

Принцип работы автомобильного мотора на сжатом газе

Конструкторы двигателей для автомобилей предлагают варианты устройств, функционирующих на сжатом газе – природном метане, который среди аналогичных видов топлива характеризуется наивысшей степенью экологичности. Перевести транспортное средство для работы на метане можно двумя способами:

• Доукомплектовать машину специальным ГБО;
• Установить заводскую метановую силовую установку.

Обратите внимание!

Массового серийного выпуска автомобилей, функционирующих исключительно на газообразном сырье, ведущие автоконцерны не осуществляют. Выпуск подобных автомобильных комплектаций представлен лимитированными линиями, но в Россию официально такие модели не завозятся. Разница в стоимости, если сравнивать с традиционными бензиновыми, в среднем составляет от 150 000 до 200 000 рублей.

Эксперты рекомендуют устанавливать на бензиновые модели дополнительное газобаллонное оборудование для автомобиля любого поколения (с 1 по 5), работающее параллельно с бензиновой цепью. Емкости для содержания метана выполняются в виде цилиндров с округлыми концами и отличаются от традиционных баллонов бытового пользования. Оборудование для авто изготовляется из высокопрокатного стального сплава, характеризующегося большим ресурсом прочности и устойчивости к механическому воздействию. Принцип работы подобной системы позволяет всего за несколько минут перейти из работы на одном типе топлива на другой без остановки работы силового агрегата.

Сейчас производители газового оборудования автомобилей предлагают новинку – баллон металлокомпозитного образца, главные отличия – это меньшая масса и увеличение срока службы без переосвидетельствования (в среднем 5 лет). По техническом нормам емкости для ГБО должны успешно переносить уровень давления, превышающий рабочий показатель в полтора раза.

Процедура перевода дизельного агрегата в режим использования газообразного топлива требует некоторых модификаций в конструкции мотора. Для работы на метане необходимо изменить уровень сжатия. Для разных машин этот процесс выполняется различными способами, главные среди которых:

• Фрезеровка поршневого элемента;
• Установка прокладки под ГБЦ;
• Замена поршневого комплекта;
• Укорочение шатуна.

Как правило, специалисты прибегают к методу фрезерования поршней. Помимо изменения степени сжатия внутри агрегата, необходимо вмонтировать систему впрыска нового топлива, включающую специальные форсунки и искровое зажигание. Только после установки этих дополнительных комплектующих систем дизельный автомобиль сможет использовать газ в качестве топлива. В завершение процедуры монтажа газовой установки на дизельном транспорте монтируется система управления газовым двигателем, представленная функциональным электронным блоком.

Некоторые производители известных транспортных средств предлагают уникальные заводские модели авто с метановыми моторами. К их числу относят немецкие компании Opel, BMW, Volkswagen, Mercedes-Benz. Примером подобного лимитированного продукта считается VW Passat Variant Ecofuel Sportline. Схема работы силового агрегата этой машины полностью построена на использовании природного газа – метана. Объем двигателя упомянутой модели составляет 1.4 л, а уровень производительности достигает показателя в 150 л. с.

Конструктивные особенности газобаллонного оборудования

Главное отличие в двигателе внутреннего сгорания, использующего газообразное горючее, от бензиновых и дизельных аналогов заключается в повышенном уровне сжатия. Такие установки уменьшают износ конструктивных элементов автомобиля, характеризуются экономичностью в обслуживании и эксплуатации за счет низкой себестоимости добываемого сырья. Автомобили отечественного производства можно доукомплектовать газовым оснащением, вмонтировав ГБО.

Схема установленной газовой конструкции на автомобиле представлена на рисунке:

1. Заправочный элемент (выносной);
2. Емкость для хранения газообразного горючего;
3. Мультиклапан;
4. Редуктор-испаритель;
5. Газовый фильтр;
6. Клапан;
7. Устройство для переключения работы на разных типах топлива;
8. Устройство смешивания газа с воздухом и дозирующий элемент;
9. Магистральная линия для подачи топлива (под высоким уровнем давления).

Схема конструкции переоборудованного дизельного силового агрегата на работу с газом такая:

Компоненты оборудования для работы авто на газе

Монтаж газобаллонного оборудования выполняется с четким соблюдением технологических норм и стандартов безопасности, поэтому эксперты рекомендуют доверить эту процедуру профессионалам. Специализированные сервисные центры по завершению установки предоставляют владельцу авто гарантию на качество проделанной работы и безопасность эксплуатации. Конструкция ГБО для бензинового автомобиля включает следующие компоненты:

• Газобаллон с необходимыми комплектующими элементами, предназначенными для безопасной заправки топливом, а также подачи оного в мотор;
• Газопровод с дополнительными деталями, соединяющий баллон и двигатель;
• Редуктор давления, преобразующий высокий уровень давления газообразного вещества до нужного показателя в рабочем моторе;
• Устройство для выбора горючего вещества: дает возможность переходить из использования бензинового топлива на работу на метане или ином типе газообразного горючего;
• Смеситель, участвующий в процессе получения горючей смеси.

Дизельный силовой агрегат, работающий на газообразном горючем, включает такие дополнительные компоненты:

• Емкость для хранения газообразного горючего;
• Клапан;
• Редуктор давления;
• Газовая форсунка;
• Дизельная форсунка;
• Устройство для переключения;
• Датчик оборотов;
• Электронная система управления.

Сравнительный анализ работы ДВС на разном топливе

Автомобильные силовые установки, использующие в рабочем состоянии различное горючее, в целом работают по общему принципу, поэтому владельцы личного транспорта могут с легкостью переоборудовать ДВС, сделав устройство газовым или же гибридным. Система питания, подающая газ, монтируется специалистами как на легковые модели, так и машины с большой грузоподъемностью. Каждый из видов топлива для мотора внутреннего сгорания имеет плюсы и минусы, поэтому, принимая решение о переоснащении машины, следует провести сравнительный анализ каждого из них.

Преимущества бензинового агрегата:

• Более высокие показатели мощности мотора, что обеспечивает быстрое увеличение скоростного режима и улучшению динамику;
• Износ клапанов происходит медленнее, так как жидкое топливо удаляет с них гарь, вызывающую нарушение контактов в работе с седлом и прогорание. Таким образом, бензин повышает срок эксплуатации силового агрегата;
• Потребление этого горючего ниже, чем газообразного (в среднем на 15%).

К существенным недостатком бензиновой установки эксперты относят дороговизну упомянутого топлива, низкие качественные характеристики, ускорение износа цилиндров, вредные выхлопы и прочие вещества, выделяемые в атмосферу.

Преимущества газового двигателя такие:

• Продукты, выделяемые в процессе сгорания газообразного горючего, не содержат вредные компоненты (свинец, сера, углероды), поэтому этот тип топлива более экологичен;
• Высший показатель октанового числа;
• Снижение рабочей нагрузки на блок цилиндров, что защищает их от преждевременного износа и повышает запас прочности мотора (в среднем на 15%);
• Не выделяет продуктов горения, как бензин, поэтому замена технической жидкости в двигателе (масла) требуется реже (в полтора раза);
• Дешевизна: учитывая стоимость бензина и дизеля, цена газа на заправках ниже почти в 2 раза, что понижает затраты на оплату топлива, несмотря на то, что расход газообразного горючего выше.

Решаясь установить газовое оборудование для автомобиля, учитывайте также минусы подобного оснащения:

• Для установки требуется дополнительное пространство. Как правило, емкость для хранения газа монтируется в багажнике, поэтому его полезная площадь сокращается;
• Дороговизна установки ГБО: стоимость монтажа системы зависит от класса двигателя автомобиля, который переоснащается. Помимо этого, необходимо оплатить услуги специалистов, выполняющих работу и покупку дополнительных комплектующих устройств;
• Снижение мощности силового агрегата, поэтому скорость набирается медленнее.

Принимать решение в пользу установки ГБО следует с учетом того, как быстро установка окупится. Во-первых, при монтаже газа будьте готовы к более частой потребности посещения техцентра для ТО мотора. Система питания газом выделяет конденсат, который рекомендуется удалять через каждые 10 000 км пробега. Также после 100 000 км пробега заменяется мембрана редуктора.

Все достоинства газового оборудования раскрываются при установке подобного оснащения на дизельных автомобилях. Уровень сжатия в ДТ моторе выше, поэтому показатель КПД также возрастает, составляя 30-45%. Для работы системы необходимо регулирование давление газа, что возможно за счет установки специального оборудования. В среднем переоборудование транспортного средства обойдется в 500-1000 условных единиц (с учетом цен на иностранное оборудование), поэтому процедура выгодна для тех автомобилистов, которые часто ездят на авто и преодолевают большие расстояния. Тогда ГБО окупиться быстрее, учитывая соотношение цен бензина и газа.

Лекция 3. «Конструктивные особенности газобаллонного оборудования»

1 Лекция 3 «Конструктивные особенности газобаллонного оборудования»

2 Эволюция ГБО 1-е поколение: система эжекционного типа, когда газ поступает в камеру сгорания в момент всасывания под действием сил разрежения воздуха во впускном коллекторе двигателя. Смешение газа с воздухом происходит в специальном устройстве смесителе. 2-е поколение: ГБО 1-го поколения + электромеханическая система контроля подачи и регулировки потока газа, предназначенная для достижения точного состава топливовоздушной смеси. 3-е поколение: ГБО 2-го поколения + электронная дозировка подачи топлива. 4-е поколение: система распределенного впрыска газа. 5-е поколение: система распределенного впрыска газа, находящегося в жидкой фазе. 6-е поколения: система непосредственного впрыска газа, находящегося в жидкой фазе.

3 Схема ГБО 1-го поколения 1 — баллон СУГ с блоком арматуры (мультиклапаном); 2 — электромагнитный клапан (СУГ); 3 редуктор-испаритель; 4 — механический регулирующий клапан (дозатор); 5 смеситель; 6 карбюратор; 7- электромагнитный клапан (бензин); 8 бензобак; 9 переключатель газ/бензин

4 Схема размещения элементов ГБО 1 поколения на автомобиле 1 — баллон СУГ, 2 — электромагнитный клапан (СУГ); 3 газовая магисталь; 4 выносное заправочное устройство; 5 газовый клапан; 6 редуктор-испаритель; 7- дозатор; 8 смеситель; 9 бензиновый клапан; 10 переключатель газ/бензин

5 Газовый баллон стальной резервуар, предназначенный для хранения сжиженного нефтяного газа при температуре от 40 до + 45 C. На легковом автомобиле он крепится в багажном отделении или в нише для запасного колеса, а на малотоннажных автомобилях на раме. Газовый баллон имеет цилиндрическую или тороидальную форму. Баллон снабжен вентиляционной коробкой с герметически закрывающейся крышкой. Под крышкой расположены заправочный и расходный вентили, шкала со стрелкой, показывающей уровень газа в баллоне, заправочная чашка и выносная заправочная горловина.

6 Мультиклапан устанавливается на горловину баллона и служит его запорным устройством: обеспечивает отсечку дальнейшей заправки при 80% заполнении баллона жидкой фазой газа — защита от переполнения баллона.; обеспечивает аварийное стравливание газа при превышении давления в баллоне; имеет встроенный скоростной клапан (на выходе газа из баллона в моторный отсек), ограничивающий выход газа при обрыве магистрального трубопровода обеспечивает защиту от утечек. Выносное заправочное устройство (ВЗУ) предназначено для подключения заправочного шланга газонаполнительной станции и заправки баллона газом. Встроенный обратный клапан препятствует выбросу газа из системы при отсоединении заправочного устройства газонаполнительной станции.

7 Редуктор (от лат. reductor — отводящий назад, приводящий обратно) — преобразующее устройство. Редуктор-испаритель применяется во всех системах автомобильного газобаллонного оборудования начиная с 1-го по 4-е поколение. Газовые редуктора отличаются друг от друга количеством ступеней регулирования, устройством систем пуска и холостого хода, а так же разделяются на вакуумные и электронные. Они служат для автоматического снижения давления газа в системе питания до заданного уровня при постоянно изменяющемся давлении газа, зависящем от его количества и температуры окружающей среды. Газовый редуктор должен обеспечивать на выходе требуемые характеристики состояния газа в широком диапазоне температур, при переходе с одного режима работы двигателя на другой. Он должен автоматически перекрывать подачу газа при выключенном двигателе. Конструкция газового редуктора должна быть компактной и удобной в обслуживании.

8 Двухступенчатый редуктор-испаритель 1 входной канал для газа, 2 седло клапана первой ступени, 3 диафрагма второй ступени, 4 диафрагма разгрузочного устройства, 5 пружина разгрузочного устройства, 6 электромагнит, 7 постоянный магнит, 8 рычаг клапана второй ступени, 9 регулировочный винт холостого хода, 10 клапан второй ступени, 11 канал, 12 диафрагма первой ступени, 13 рычаг клапана первой ступени, 14 пружина, 15 клапан первой ступени, А полость камеры первой ступени, В полость камеры второй ступени, С полость теплообменника, D полость разгрузочного устройства, Е штуцер разгрузочного устройства.

9 Редуктор состоит из корпуса, двух крышек и деталей клапанных механизмов. В полости С непрерывно циркулирует горячая ОЖ из системы охлаждения двигателя. В результате этого весь корпус редуктора прогревается до рабочей температуры двигателя и, поэтому, сжиженный газ, попадая через канал 1 в полость А, испаряется и переходит в газообразное состояние. При этом газ воздействует на диафрагму первой ступени 12 и, преодолевая сопротивление пружины 14, смещает её вниз и через рычаг 13 закрывает клапан первой ступени 15. Равновесие силы давления газа и силы упругости пружины достигается при давлении 0,05 0,07 МПа.

10 Из полости А через канал 11 газ поступает к клапану первой ступени 10 и, проходя через него, заполняет полость В второй ступени. При этом газ воздействует на диафрагму 3 второй ступени, поднимает её, и через рычаг 8 закрывает клапан 10. Равновесие наступает при давлении в полости В Па (0,0005 0,001 кг/см 2 ), то есть, чуть выше атмосферного. При работающем двигателе разрежение из смесителя передается по шлангу в полость В второй ступени и газ из неё поступает в смеситель. При этом давление в полости В снижается, диафрагма 3 опускается, открывает клапан 10 второй ступени, и газ из полости А поступает в полость В, а оттуда в смеситель. По мере расхода газа из полости А давление в ней снижается, диафрагма 12 поднимается, открывает клапан первой ступени 15 и газ из канала 1 поступает в полость А.

11 Разгрузочное устройство D предназначено для принудительного закрытия клапана второй ступени 10 при неработающем двигателе. Это необходимо для обеспечения пожарной безопасности автомобиля. Полость D связана с штуцером Е и далее, через шланг, с задроссельным пространством двигателя. При неработающем двигателе в полости D атмосферное давление и пружина 5 через рычаг 8 принудительно закрывает клапан 10 второй ступени, в результате чего газ из редуктора не выходит. При работающем двигателе разрежение из задроссельного пространства по шлангу, через штуцер Е передается в полость D. При этом диафрагма разгрузочного устройства, преодолевая сопротивление пружины 5, опускается и не препятствует движению рычага 8, которым управляет диафрагма 3 второй ступени.

12 На короткое плечо рычага 8 воздействует пружина и регулировочный винт 9 холостого хода. При помощи этого винта настраивают работу двигателя на холостом ходу. Электромагнит 6 используется для принудительного открытия клапана 10 второй ступени. Это может потребоваться для обогащения смеси при пуске двигателя, или для выпуска газа из редуктора перед его обслуживанием или ремонтом. Для включения электромагнита водитель нажимает на кнопку управления в кабине. При этом напряжение 12В подается на обмотку электромагнита 6. Его сердечник втягивается внутрь обмотки и воздействует на рычаг 8, открывая клапан 10 второй ступени, газ поступает в смеситель. Сердечник электромагнита выступает наружу и, в случае необходимости, водитель может нажать на него непосредственно, со стороны моторного отсека.

13 Механический регулирующий клапан (дозатор) Дозатор регулирует количество подаваемого газа в двигатель в зависимости от его нагрузки. Дозатор снабжен вакуумным устройством. Разрежение из коллектора передается в полость дозатора, при этом диафрагма, выгибаясь, увлекает за собой связанный с ней шток 1, и плунжер 4, поднимаясь, уменьшает проходное для газа отверстие. При повышении частоты вращения коленчатого вала и увеличении нагрузки разрежение во впускном коллекторе уменьшается и пружина дозатора перемещает диафрагму вместе со штоком вниз, в результате чего проходное отверстие увеличивается, вызывая при этом увеличение подачи газа в смеситель.

14 Смеситель Смеситель это устройство, обеспечивающее приготовление газовоздушной смеси.

15 Недостатки систем ГБО 1-го поколений 1. Не отвечают действующим в настоящее время стандартам ЕЭК ООН. 2. Плохая работа на переходных режимах работы ДВС. Схема объекта моделирования: 1 газовый редуктор; 2 соединительный трубопровод; 3 тройник-регулятор; 4 распылитель газа; 5 дроссельный узел; 6 трубка пневмокорректора; p i давление в i-ой полости; v i объем i-ой полости; с j жесткость j-ой пружины; μ k f k эффективная площадь k-го проходного сечения

16 Моделирование работы системы питания сжиженным углеводородным газом на переходных режимах двигателя Время запаздывание реакции системы при изменении положения дроссельной заслонки составляет 0,1 0,3 с. Это соответствует 4 12 оборотам коленчатого вала при работе двигателя с частотой 2500 мин -1. Реакция редуктора на резкое открытие дроссельной заслонки от 20 до 70 % за 0,1 с 1 изменение положения дроссельной заслонки; 2 изменение давления в смесительном устройстве; 3 изменение давления в соединительном трубопроводе; 4 изменение давления во второй ступени редуктора.

17 Методика подбора газобаллонного оборудования 1) производится определение индивидуальных характеристик конвертируемого ДВС; особенностей эксплуатации транспортного средства (для этого осуществляется пробная поездка); 2) производится предварительный подбор газобаллонной аппаратуры; 3) проводится расчетное исследование работы газовой аппаратуры; 4) осуществляется корректировка (при необходимости) параметров газобаллонной аппаратуры;

18 ГБО 2-го поколения 1 — баллон СУГ с блоком арматуры (мультиклапаном); 2 — электромагнитный клапан (СУГ); 3 редуктор-испаритель; 4 пусковое устройство; 5 регулятор подачи газа; 6 бензиновая форсунка; 7- ЭБУ для бензина; 8 ЭБУ для СУГ; 9 кислородный датчик; 10 каталитический нейтрализатор; 11 — бензиновый клапан; 12 — бензобак; 13 переключатель газ/бензин

20 Система с обратной связью ДВС; 2- система питания; 3- блок управления; 4 кислородный датчик; 5- каталитический нейтрализатор

21 Кислородный датчик 1- корпус; 2 воздух; 3- пробирка из двуокиси циркония; 4- защитный колпачок

22 ГБО 4-го поколения 1 — бак СУГ; 2 — электромагнитный клапан (СУГ); 3 одноступенчатый редуктор-испаритель; 4 рампа форсунок; 5 газовые форсунки; 6 бензиновая форсунка; 7- ЭБУ для бензина; 8 ЭБУ для СУГ; 9 кислородный датчик; 10 каталитический нейтрализатор; 11 — бензиновый клапан; 12 — бензобак; 13 переключатель газ/бензин

23 Схема размещения элементов ГБО 4 поколения на автомобиле 1 выносное заправочное устройство; 2 блок управления СУГ; 3 рампа форсунок; 4 переключатель газ/бензин; 5 газовый фильтр; 6 редуктор

24 Управляет ее работой ГБО 4 поколения собственный блок управления, согласованно работающий с контроллером двигателя. Основываясь на сигналах, подаваемых на впрыск бензина, газовый ЭБУ формирует управляющий сигнал на газовые форсунки, а подачу импульсов на бензиновые блокирует. Для коррекции смесеобразования используются дополнительно устанавливаемые датчики: температуры газа, давления газа, температуры редуктора. В случае понижения давления газа до критического ЭБУ переводит работу двигателя на бензин. Для ГБО 4 поколения доступен чип-тюнинг, позволяющий привести расход газа и динамику машины к «бензиновому» уровню. По желанию владельца можно отрегулировать момент переключения с бензина на газ (понизить или повысить температуру переключения).

25 Принципиальная схема ГБО 5-го поколения — LPi (Liquid Propane injection) нейтрализатор

26 Отличительной особенностью пятого поколения автомобильного газобаллонного оборудования является то, что газ подается в цилиндры двигателя в жидком состоянии. Для этого система дополнительно оснащается газовым насосом, который заставляет циркулировать жидкий газ из баллона через систему топливных магистралей в рампу газовых форсунок и таким образом создает необходимое постоянное давление перед форсунками. Через регулятор давления газ возвращается в баллон. Газовые электромагнитные форсунки подают газ в жидком состоянии. Также в таких системах возможна подача жидкого газа через бензиновые форсунки. Газовый блок управления использует бензиновые топливные карты, заложенные в штатный ЭБУ, и вносит лишь необходимые поправки для адаптации к газу.

27 Принципиальная схема ГБО 6-го поколения — LPdi (Liquid Propane direct ingection) 1 — баллон СУГ, 2 — электромагнитный клапан (СУГ); 3 газовая форсунка непосредственного впрыска; 4 штатный ЭБУ; 5 газовый ЭБУ; 6 насос высокого давления; 7- модуль выбора топлива

28 Система ГБО 6-го поколения разработано специально для двигателей с непосредственным впрыском топлива. При этом газ в жидком состоянии впрыскивается через бензиновые форсунки. Аппаратура шестого поколения использует такой же баллон с насосом, который применяется в пятом поколении. Газовый насос создает небольшое давление, необходимое для подачи газа по топливопроводу. Главный узел системы — FSU (fuel selection unit — узел выбора топлива) осуществляет выбор между бензином и газом. Жидкий газ и бензин поступают в модуль FSU, и оттуда выбранное топливо через насос высокого давления подается к форсункам. Двигатель может заводиться и работать только на газе. Бензин же может использоваться как вспомогательное топливо.