Устройство автомобилей

Система питания двигателя от газобаллонной установки

Газобаллонные автомобили

Газовые двигатели – двигатели, работающие на газообразных топливах, широко применяются на современном автомобильном транспорте. При этом используется сжиженный нефтяной газ (СНГ), состоящий в основном из пропана и бутана, а также сжатый природный газ (СПГ) метан или компримированный природный газ. Запас сжатого или сжиженного газа хранят в специальных баллонах, поэтому и автомобили, работающие на газе, называют газобаллонными.

Двигатели, работающие на газовом топливе, относятся к тепловым двигателям с принудительным воспламенением рабочей смеси, т. е. используют искровое зажигание, как и бензиновые двигатели, поэтому оценивать достоинства и недостатки газообразного топлива объективнее в сравнении с бензином.

Для дизельных двигателей газовое топливо не получило широкого распространения в силу того, что газ физически не может воспламеняться при той температуре, которую имеет сжатый воздух в цилиндрах дизеля с нормальной степенью сжатия. Просто подвести газ к камерам сгорания недостаточно. Газ не воспламенятся сам по себе от сжатия, так как его температура самовозгорания (460. 480 ˚С) примерно в полтора раза выше чем у дизельного топлива (300. 320 ˚С). Поэтому при переводе дизеля на газ даже теоретически невозможно использовать одно только газовое топливо без принудительного его воспламенения.

Тем не менее, эта проблема оказалась преодолимой, и еще во времена СССР было найдено ее техническое решение: впрыскивать в камеру сгорания совместно газ и дизельное топливо. В частности, такое решение применялось для некоторых моделей автомобилей марки «КАМАЗ».
Принцип действия газодизельного двигателя основывался на том, что в цилиндры подается запальная доза дизельного топлива (20%-30%), а остальная порция топлива (70%-80%) замещалась подачей природного газа.
При этом выгоднее подавать в цилиндры сначала газ, чтобы он хорошо перемешался с воздухом, а затем впрыснуть запальную порцию дизельного топлива.

Технически любой дизельный двигатель можно переоборудовать для работы с газобаллонным оборудованием — как на нефтяной пропанобутановой смеси, так и на природном метане, без использования запальной порции дизельного топлива.
Однако, в отличие от перевода бензиновых двигателей на газ, модернизация дизельного двигателя для работы на одном лишь газовом топливе потребует радикальных изменений штатной системы питания дизеля и использования системы зажигания.
Необходимо демонтировать топливную аппаратуру, и вместо нее установить систему зажигания. Форсунки меняются на свечи зажигания, и после этого монтируется газобаллонное оборудование. Газ при помощи дозатора поступает во впускной коллектор и двигатель будет работать на газовом топливе.
Конечно же, после таких переделок многие преимущества дизеля теряются.

Требования, предъявляемые к газообразным топливам

Требования, предъявляемые к газовым топливам мало отличаются от требований к другим видам топлива для двигателей:

• обеспечение хорошего смесеобразования;
• высокая калорийность горючей смеси;
• отсутствие коррозии и коррозионных износов;
• минимальное образование отложений во впускном и выпускном трактах;
• сохранение качества при хранении и транспортировании;
• низкая стоимость производства и транспортирования.

Преимущества использования газообразного топлива

Октановое число газового топлива выше, чем бензина (среднее значение октанового числа – 105), поэтому детонационная стойкость сжиженного газа больше, чем бензина даже самого высшего качества.
Это позволяет добиться большей экономичности использования топлива в двигателе с повышенной степенью сжатия. При этом скорость сгорания газа немного меньше, чем у бензина. В результате снижаются нагрузки на стенки цилиндров, поршневую группу и коленчатый вал, что позволяет двигателю работать ровно и тихо.

Газ легко смешивается с воздухом и равномерней наполняет цилиндры однородной смесью, поэтому двигатель работает ровнее и тише.
Газовая смесь сгорает полностью, поэтому не образуется нагар на поршнях, клапанах и свечах зажигания.

Газовое топливо не смывает масляную пленку со стенок цилиндров, а также не смешивается с маслом в картере, не ухудшая, таким образом, смазочные свойства масла. В результате цилиндры и поршни изнашиваются меньше, а периодичность замены моторного масла увеличивается.

По сравнению с бензином сжиженный газ имеет следующие преимущества:

• в полтора-два раза меньше себестоимость;
• более высокая детонационная стойкость (октановое число 105);
• двигатель на газе работает мягче, а срок его службы увеличивается примерно в полтора раза;
• увеличивается периодичность замены моторного масла в полтора-два раза, поскольку уменьшается срок его старения;
• увеличивается на 40% срок службы свечей зажигания;
• газ практически не содержит серы, которая вызывает коррозию металлов и их изнашивание;
• снижается токсичность отработавших газов (СО в два раза, СН на 50…100%, NOx на 20…30 %);
• в отличие от бензина газовая смесь более однородна по составу;
• не накапливаются смолистые отложения на деталях и приборах системы питания, так как нефтяной газ растворяет их;
• значительно уменьшается нагарообразование на деталях двигателя.

Сжатый газ также употребляется в качестве горючего, поскольку природные запасы метана колоссальны, и сложно найти более дешевое топливо для автомобильного двигателя.

Сжатый природный газ по сравнению со сжиженным нефтяным газом имеет следующие преимущества:

• бόльшая безопасность, так как он легче воздуха и при утечках улетучивается;
• дешевле;
• большие природные запасы;
• отработавшие газы экологически более чистые.

Недостатки газообразного топлива:

Сжиженный газ обычно используется в системах питания двигателей легковых автомобилей. Переоборудовать автомобиль для работы на сжиженном газе проще и дешевле, чем для работы на сжатом. Кроме того, сжиженный газ находится в баллоне под относительно небольшим давлением (примерно 1,6 МПа), а высокая степень разреженности сжатого газа требует увеличить этот показатель в 12-15 раз.

Поэтому для использования сжатого газа необходимы более громоздкие и тяжелые заправочные баллоны с более толстыми стенками, которые значительно повышают вес автомобиля. И если для грузовых автомобилей и автобусов с этим неприятным фактом еще можно мириться, то для легковых автомобилей, где каждый килограмм веса на учете, использование сжатого газа менее привлекательно. Кроме того, пробег между заправками для автомобиля, работающего на сжиженном газе вдвое больше, чем для работающего на газообразном топливе.
Исходя из этого системы питания с газовым топливом пока не нашли достаточно широкого применения, и используются на автомобилях, совершающих поездки в пределах городов и пригородов, т. е. на небольшие расстояния.

Марки газовых автомобильных топлив

ГОСТ 20448-90 предусматривает выпуск сжиженного газа двух марок: СПБТЗ (смесь пропанобутановая техническая зимняя) и СПБТЛ (смесь пропанобутановая техническая летняя).
Устаревший стандарт (ГОСТ 27578-87) также предусматривал две марки сжиженного газа: зимнюю — ПА (пропан автомобильный) и летнюю — ПБА (пропанобутановая смесь автомобильная).

Основными компонентами сжиженного газового топлива являются пропан (С₃Н₈) и бутан (С₄Н₁₀). В сжиженных газах, поставляемых для автомобильного транспорта, по техническим причинам может содержаться некоторое количество масла, поступающего из компрессоров и насосов.

Зимняя смесь отличается от летней повышенным содержанием пропана и применяется при температуре окружающего воздуха ниже +5 ˚С. Летняя смесь применяется при температуре +5 ˚С и выше.
Пропан остается в жидком состоянии при температуре ниже —42 °С, для бутана эта температура составляет —0,5 °С.
В весенний период времени с целью полной выработки запасов сжиженного газа марки СПБТЗ допускается ее применение при температуре до +10 °С.
Более высокая температура может привести к нежелательному повышению давления в системе подачи газа и ее разгерметизации.

Сжатый природный газ выпускается двух марок: «А» и «Б». Они отличаются содержанием метана и азота. Основные горючие компоненты сжатых газов — метан (СН₄), окись углерода (СО) и водород (Н₂) получают из горючих газов различного происхождения (природных, попутных, нефтяных, коксовых и др.). В попутных газах в зависимости от месторождения нефти содержание метана может находиться в пределах 40-82%.

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Работа двигателя на сжатом природном газе

Ввиду повсеместных усилий, направленных на снижение выбросов СO₂, природный газ приобретает все большую важность в ка­честве альтернативного вида топлива для автомобилей. Сжатый природный газ (СПГ), который не следует путать со сжиженным нефтяным газом (СНГ), в основном состоит из метана. Сжиженный нефтяной газ в основ­ном состоит из пропана и бутана. Работа двигателя на сжатом природном газе несколько отличается. Вот о том как происходит работа двигателя на природном газе, мы и поговорим в этой статье.

Применение сжатого природного газа на автомобилях

По сравнению с бензином, при сгорании сжатого природного газа образуется приблизительно на 25% меньше СO₂. Таким образом, сжатый природный газ дает наи­меньшее количество выбросов СO₂ из всех видов ископаемого топлива. Применение в качестве топлива биогаза позволит в еще большей степени снизить глобальные вы­бросы парниковых газов. В связи с более низким содержанием СO₂ в отработавших га­зах, транспортный налог на автомобили, ра­ботающие на сжатом природном газе, во многих странах снижен.

Тем временем различные производители начали предлагать варианты автомобилей, оборудованных для работы на сжатом при­родном газе. При этом баллоны для СПГ большего объема размещаются более удобно и эффективно, без потерь полезного объема багажного отделения, практически неизбеж­ных при доделке автомобилей.

Последнюю информацию о количестве автомобилей, которые могут работать на СПГ, и сети заправочных станций сжатого природного газа в Гер­мании можно найти в Интернете. Такие автомобили, как правило, явля­ются двухтопливными, т.е. водитель может переключаться с бензина на газ и обратно. Существуют также варианты, получившие название «Monovalent plus», в которых дви­гатель оптимизирован для работы на природ­ном газе с целью как можно более полного использования его преимуществ по сравне­нию с бензином (более высокая стойкость к детонации, меньшее количество выбросов СO₂ и токсичных веществ). На автомобилях варианта «Monovalent plus», тем не менее, предусмотрен небольшой бензобак ( п омощи регулировочного винта на заводе-изготовителе.

Принцип действия модуля регулирования давления

Поток газа со стороны высокого давления че­рез регулируемую дроссельную диафрагму поступает в камеру низкого давления, в ко­торой находится мембрана. Мембрана через регулирующий стержень регулирует степень открытия дроссельной диафрагмы. Когда дав­ление в камере низкого давления понижается, мембрана прижимается пружиной к дроссель­ной диафрагме, которая открывается, позво­ляя возрастать давлению на стороне низкого давления. При повышении давления в камере низкого давления пружина дополнительно сжи­мается, и дроссельная диафрагма закрывается. Уменьшение проходного сечения дроссельной диафрагмы вызывает снижение давления на стороне низкого давления. В установившемся режиме образуется проходное сечение дроссельной диафрагмы, требуемое для создания рабочего давления, и давление в камере низкого давления остается практически постоянным.

Минимальные колебания рабочего давле­ния при изменениях нагрузки свидетельствуют об исправности регулятора давления.

Электронные системы питания двигателя, работающего на природном газе

Система питания двигателя, работающего на сжатом природном газе состоит из следующих основных составляющих:

• контур высокого давления (заправочный штуцер, трубопроводы, баллоны)
• область перехода от контура высокого давления к стороне низкого давления (редуктор давления газа с клапаном высокого давления для работы на газе и датчиком давления газа)
• контур низкого давления (гибкий шланг, газовая распределительная магистраль, датчик газовой распределительной магистрали, форсунка)

Рис. Система впрыска сжатого природного газа:
1 – газовый баллон 1 с запорным и обратным клапаном; 2 – газовый баллон 2 с запорным клапаном; 3 – газовый баллон 3 с запорным клапаном; 4 – газовый баллон 4 с запорным клапаном; 5 – заправочная горловина со встроенным фильтром и обратным клапаном; 6 – запорный клапан с клапаном отключения подачи газа, ограничителем потока газа, термическим предохранителем и запорным краном; 7 – трубопровод высокого давления; 8 – гибкий шланг; 9 – газовая распределительная магистраль; 10 – датчик газовой распределительной магистрали; 11 – форсунка; 12 – двигатель; 13 – двойное зажимное кольцо; 14 – клапан высокого давления; 15 – датчик давления газа; 16 – редуктор давления газа с клапаном высокого давления для работы на газе

Заправочная газовая горловина 5 оснащена обратным клапаном и металлическим фильтром. Газовые трубопроводы высокого давления 7 изготавливаются из нержавеющей стали и рассчитаны на давление до 1000 кгс/см2. Они соединяют приемный патрубок с первым запорным клапаном, все четыре запорных клапана между собой, а также последний запорный клапан с регулятором давления газа. Чтобы обеспечить достаточную герметичность газовых магистралей, отдельные детали на обеих сторонах соединяются при помощи двойного зажимного кольца 13. При заправке природный газ подается в заправочную горловину со встроенным фильтром и обратным клапаном далее по газовым магистралям к запорному клапану первого газового баллона. Одновременно с этим газ идет по газовым магистралям к запорному клапану второго газового баллона, оттуда дальше к запорным клапанам остальных баллонов. Из баллонов газ под высоким давлением поступает в редуктор давления газа. Если блок управления двигателя подает сигнал управления, открывается клапан высокого давления 14 редуктора высокого давления для работы на газе.

Редуктор давления газа должен обеспечивать снижение давления газа с 200 до 6 кгс/см2. Снижение давления в редукторе происходит в одной ступени.

Клапан высокого давления для работы на газе 7 представляет собой соленоид и при подаче на него напряжения или отсутствии такового открывает /закрывает доступ к ступени понижения давления газа регулятора давления газа. В обесточенном состоянии клапан высокого давления для работы на газе закрыт.

Датчик давления 4 в газовом баллоне измеряет текущее давление газа в системе на стороне высокого давления. Благодаря этим показаниям блок управления двигателя распознает уровень наполненности баллона.

В камере низкого давления 9 происходит переход давления газа от высокого давления к низкому давлению. Если клапан высокого давления для работы на газе открыт блоком управления двигателя, газ под высоким давлением поступает к поршню редуктора 10 в камере высокого давления 8. Поршень редуктора соединен с камерой низкого давления посредством подпружиненной мембраны 11.

Рис. Редуктор давления газа:
1 – ступень понижения давления; 2 – клапан избыточного давления; 3 – выход газа при низком давлении к двигателю; 4 – датчик давления в баллоне; 5 – вход газа при высоком давлении из газовых баллонов; 6 – фильтр; 7 – клапан высокого давления для режима эксплуатации на газе; 8 – камера высокого давления; 9 – камера низкого давления; 10 – поршень редуктора; 11 – мембрана; 12 – пружина

Если давление газа в камере низкого давления меньше 6 кгс/см2, то мембрана и поршень силой пружины поднимаются по направлению вверх. Поршень открывает соединение с камерой высокого давления. Газ, таким образом, поступает из камеры высокого давления в камеру низкого давления. Благодаря поступающему газу повышается давление в камере низкого давления. Как только давление достигает 6 кгс/см2, мембрана под действием давления возвращается в нижнее положение, преодолевая усилие пружины. Поршень, соединенный с мембраной, закрывает соединение с камерой высокого давления. Если происходит потребление газа двигателем, то давление в камере низкого давления падает. Пружина выталкивает мембрану опять по направлению вверх, поршень вновь открывается и газ снова поступает в камеру низкого давления.

Газовая распределительная магистраль оснащена электрическими форсунками подачи газа 11, расположенных во впускных каналах цилиндров, а также датчиком газовой распределительной магистрали 10. В режиме работы на газе они получают управление от блока управления двигателя при помощи сигнала с широтно-импульсной модуляцией. Время открытия форсунок зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, нагрузки на двигатель, качество природного газа, давление газа в газовой распределительной магистрали.

Смесеобразование в режимах работы на газе и на бензине регулируется блоком управления двигателя по сигналам лямбда-зонда. В зависимости от качества газа блок управления двигателя проводит адаптацию смесеобразования. Лямбда-зонд измеряет состав ОГ и посылает полученные результаты на блок управления двигателя. На основании полученного сигнала блок управления двигателя рассчитывает требуемые пропорции смеси (воздух/газ). Для управления процессом смесеобразования блок управления двигателя изменяет время открытия клапанов подачи газа.

Клапаны отключения подачи газа представляют собой электромагнитные клапаны и получают управление с блока управления двигателя. Они являются составной частью запорных клапанов 6 и перекрывают доступ к газовым баллонам. При эксплуатации автомобиля на газе они открываются блоком управления двигателя, а в процессе заправки – от заправочного давления природного газа.

Запуск двигателя при температуре охлаждающей жидкости ниже 15°C осуществляется в режиме работы на бензине, а при температуре охлаждающей жидкости выше 15°C – на газе.