Мультиклапан

СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ

ГАЗОБАЛЛОННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Из-за повышения экологических требований к автомобилю все чаще на смену бензиновому топливу приходит газовое топливо. Газ, используемый как автомобильное топливо, применяется в сжиженном состоянии при давлении 1,6 МПа (пропано-бутановая смесь) – сжиженный нефтяной газ (СНГ) и сжатом состоянии при давлении 20 МПа (метан) – сжатый природный газ (СПГ). Сравнительная характеристика газового и бензинового топлива приведена в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристики топлив

Компоненты	Метан СН₄	Пропан С₃ Н₈	Бутан С₄ Н₁₀	Бензин С₈ Н₁₇(АИ-93)
Молекулярная масса, кг/моль
Октановое число				93 (теоретич.)
Теплота сгорания объемная, МДж/м 3
Теоретически необходимое количество воздуха для сго- рания 1 кг топлива, кг	17,2	15,8	15,6	14,9
Максимальная скорость рас- пространения фронта пламе- ни, м/с	0,77	0,810	0,825	0,850
Предел воспламенения объемный, %	5,0	2,4	1,8	1.5
Плотность газовой фазы при нормальных условиях, кг/м³	0.717	2,019	2,703	5,18

Особенностью сжиженного нефтяного газа (СНГ) является образование газообразной и жидкой фазы в процессе наполнения баллона. Первые порции сжиженного газа быстро испаряются, заполняя весь объём баллона. Испарение сжиженного газа в баллоне продолжается до тех пор, пока образовавшиеся пары сжиженного газа не достигнут насыщения. К концу заполнения баллона сжиженный газ в жидком состоянии заполняет лишь 80-85% объема. Плотность жидкой фазы СНГ составляет 560-600 кг/м³ при 0⁰ С и нормальном атмосферном давлении. Плотность паровой фазы при тех же условиях колеблется от 2,0 до 2,7 кг/м³ . Сжиженный нефтяной газ тяжелей воздуха в 1,5-2 раза, что указывает на свойство этих газов скапливаться внизу, на поверхности земли или в различных углублениях, образуя взрывоопасную смесь с воздухом (в количестве 1,8-9,5%). Для обнаружения газа в воздухе при утечке из газовой системы в газ вводят в определенной концентрации специальные вещества – одоранты.Сжатый природный газ метан благодаря низкой плотности в два раза легче воздуха и в случае утечки устремляется вверх, что обеспечивает большую безопасность при эксплуатации автотранспорта.

Преимуществом СНГ по сравнению с СПГ являются большая концентрация тепловой энергии в единице объема, значительно меньшее рабочее давление в баллонах и газовой арматуре, их меньшая масса и стоимость. Один баллон ГСН рассчитан на 500 км пробега, а баллон СПГ – только на 100 км. СНГ и СПГ обладают значительно лучшей антидетонационной стойкостью, чем бензины, так как октановое число у них больше ста. Газ превосходит бензин по теплотворной способности, однако в смеси с воздухом его энергетические показатели снижаются, что является одной из причин уменьшения мощности газобаллонных автомобилей на ГСН до 7% и на СПГ до 20% по сравнению с бензиновым двигателем и ухудшения тягово-динамических и эксплуатационных характеристик. Высокие октановые числа требуют увеличение угла опережения зажигания. Раннее зажигание может привести к перегреву деталей двигателя.

При эксплуатации газобаллонных автомобилей наблюдаются случаи прогорания днищ поршня и клапанов при слишком раннем зажигании и работе одновременно на бедных смесях.

Газообразные углеводородные топлива относятся к наиболее чистым в

экологическом отношении моторным топливам. Выбросы токсичных веществ с отработавшими газами газобаллонных автомобилей по сравнению с бензиновыми значительно ниже. Стандартами предусматривается две марки сжиженных нефтяных газов: ПБА – пропан-бутан автомобильный, применяемый при температуре от +45⁰ до −20⁰ С; ПА – пропан автомобильный, применяемый зимой при температуре от –20⁰ до −35⁰ С.

ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО КОМПЛЕКТА ГБО

Все газобаллонные установки, предназначенные для работы на сжиженном нефтяном газе, принципиально похожи, отличаются лишь технической реализацией отдельных узлов. Основными элементами комплекта ГБО являются (рисунок 1):

- баллон автомобильный газовый (1);

- мультиклапан (блок арматуры) (2);

- система вентиляции блока арматуры (3);

- выносное заправочное устройство ВЗУ (4);

- клапан электромагнитный газовый (газовый клапан) (5);

- редуктор-испаритель (6);

- трубопроводы высокого давления (7);

- дозатор газа (8);

- трубопроводы низкого давления (9);

- смеситель (10);

- блок (пульт) управления (11);

- клапан электромагнитный бензиновый (бензоклапан) (12);

Первое поколение ГБО имеет механические системы с вакуумным управлением, в которых газ подается в двигатель через впускной (воздушный) коллектор посредством разряжения, создаваемого двигателем. Недостатком этих систем было нарушение стабильности подачи газовоздушной смеси, неустойчивый холостой ход, частые ручные регулировки.

Рисунок 1 − Схема газобаллонной установки первого поколения,

работающей на сжиженном нефтяном газе

Второе поколение ГБО для автомобилей с карбюраторами и инжекторной системой питания сохраняет те же схемы установки газового оборудования (рисунок 2). Отличие – в управлении электронным блоком управления электромеханическим шаговым дозатором подачи газа, которое частично компенсирует неточность работы редуктора. Дозатор подачи газа должен поддерживать постоянное стехиометрическое соотношение топливовоздушной смеси.

Так же как и на системах первого поколения, для установки на автомобиль с

инжекторной системой питания дополнительно устанавливают реле отключе-

ния топливного насоса и эмулятор работы форсунок. Электрический редуктор и электронное дозирующее устройство опираются на сигналы датчика содержания кислорода в выпускном коллекторе двигателя, датчика положения дроссельной заслонки и датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Рисунок 2 − Упрощенная схема второго поколения ГБО, работающего на сжиженном нефтяном газе

Третье поколение ГБО обеспечивает распределенный синхронный (нефазированный) впрыск газа с дозатором-распределителем, который управляется электронным блоком. Газ подается во впускной коллектор с помощью механических форсунок, которые открываются за счет избыточного давления в магистрали подачи газа. При такой схеме подачи газа впускной коллектор заполнен воздухом, а не газовоздушной смесью, как в случае работы обычного редукторного оборудования, вследствие чего практически исключены тяжелые последствия от «хлопков» во впускном коллекторе при нарушении состава рабочей смеси особенно в переходных режимах. Кроме того, при использовании такой системы динамические характеристики автомобиля при работе на газе еще более приближаются к тем же параметрам автомобиля, работающего на бензине, достигается пониженный расход газа по сравнению с системами предыдущих поколений.

Четвертое поколение ГБО – системы распределенного последовательного(фазированного) впрыска газа с электромагнитными форсунками, которые управляются более совершенным электронным блоком. Как и в системе предыдущего поколения ГБО, газовые форсунки устанавливаются на коллекторе непосредственно у впускного клапана каждого цилиндра, но управляются блоком ЭБУ каждая в отдельности, используя для расчета длительности впрыска газа информацию от штатного бензинового контроллера, корректируя ее информацией дополнительных датчиков давления газа и воздуха во впускном коллекторе, чем достигается высочайшая точность состава газовоздушной смеси. Автоматически сохраняется стратегия топливоподачи распределенного впрыска (попарно параллельный впрыск, фазированный впрыск или любой другой, использованный в штатном бензиновом алгоритме), исключена возможность сжечь нейтрализатор, т.к. не требуется отключение или эмулирование штатных датчиков – они при работе на газе работают в штатном режиме.

Пятое поколение ГБО. Основное отличие систем пятого поколения состоит в том, что в этих системах осуществляется распределённый впрыск жидкой фазы пропан-бутановой смеси. Таким образом, отпадает необходимость в наиболее уязвимом узле газового оборудования – в редукторе. Все остальное аналогично системам четвертого поколения. Впрыск газа производится элек-тромагнитными форсунками, которые управляются самообучаемым электронным блоком управления подачи газа совместно с штатным блоком управления двигателем автомобиля. Жидкая фаза пропан-бутановой смеси постоянно циркулирует внутри системы через рампу газовых форсунок с клапаном обратного давления обратно в баллон во избежание образования паровых пробок. Для этого в баллоне находится газовый насос, который и обеспечивает циркуляцию жидкой фазы газа из баллона и обратно. Система ГБО впрыска жидкого газа предназначена для инжекторных автомобилей с катализатором и совместима с экологическими требованиями Евро 3 и Евро 4. Основным преимуществом систем ГБО пятого поколения является отсутствие потери мощности и отсутствие повышенного расхода при работе на газе. К тому же, ввиду отсутствия необходимости испарять газ перед подачей в двигатель запуск на газе возможен при любых отрицательных температурах. К недостаткам систем ГБО пятого поколения можно отнести высокую чувствительность к загрязнениям газа.

РАБОТА КОМПЛЕКТА ГБО

При заправке газом наконечник заправочного шланга подсоединяется к ВЗУ. Газ через открытый заправочный вентиль на мультиклапане заполняет баллон под давлением максимум 1,6 МПа (16 атм). Заправка производится до уровня 0,8-0,9 полного литража баллона. При достижения этих показателей подачу газа прекращает отсечной клапан на мультеклапане. Попадая в баллон, жидкий газ начинает испаряться, по окончании заправки в свободном от него пространстве образуется паровая подушка, необходимая для компенсации увеличения объема жидкости (и как следствие – давления) при изменении температуры. В момент отсоединения заправочного пистолета выброс газа из заправочного устройства предотвращает обратный запорный клапан. При работе двигателя на газовом топливе газ через открытый расходный вентиль мультиклапана и газовый электромагнитный клапан поступает в редуктор-испаритель, где происходит снижение давления до близкого к атмосферному и переход газа от жидкого состояния к газообразному. При расширении газапроисходит поглащение тепла (охлаждение), для компенсации тепловых потерь и замерзания редуктора в него подается горячая жидкости из системы охлаждения двигателя, которая циркулирует в полости испарителя газового редуктора. Из редуктора газ, проходя через дозатор, регулирующий количество поступающего в двигатель газа в зависимости от разрежения во впускном коллекторе, поступает в смеситель. Смеситель располагается над карбюратором в корпусе воздушного фильтра или в карбюраторе до дроссельных заслонок. У двигателей с впрыском топлива смеситель располагают в патрубке подвода воздуха перед дроссельной заслонкой. В смесителе газ смешивается с воздухом, и газовоздушная смесь всасывается в цилиндры двигателя. При работе двигателя на газе бензоклапан, расположенный между бензонасосом и поплавковой камерой карбюратора, закрыт. При работе на бензине газовый клапан закрыт, бензоклапан открыт. В автомобилях с впрыском дополнительных бензоклапонов не ставят, а снимают электрическое питание с топливных форсунок, при этом топливный насос не отключается. На мощные двигатели с большой степенью сжатия устанавливают дополнительный электронный блок и специальную аппаратуру для точной дозировки газа.

УСТРОЙСТВО И РАБОТА ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГБО

Мультиклапан

Мультиклапан представляет собой блок запорно-предохранительной арматуры, установленной на баллоне. Он предназначен для автоматического контроля уровня и прекращения заправки и подачи ГСН в магистраль. Мультиклапан обеспечивает герметичность баллона в случае аварийного обрыва трубок, а при повышении давления в баллоне выше рабочего (1,6 МПа) стравливает газ, предотвращая взрыв баллона. Основными элементами мультиклапана являются (рисунок 3):

- корпус мультиклапана (блока арматуры) (3);

- заправочный штуцер, соединяющий магистраль от ВЗУ с полостью баллона; оснащен шариковым обратным клапаном (4);

- заправочный вентиль, перекрывающий поступление газа в баллон (5);

- расходный штуцер жидкой фазы (6), соединяющий полость баллона с магистралью, идущей в подкапотное пространство; оснащен шариковым ско-ростным клапаном, отключающим баллон при обрыве магистрали;

- расходный вентель жидкой фазы, перекрывающий выход газа из баллона (7);

- предохранительный клапан, настроенный на давление 2,5 МПа (2);

- ограничитель степени заполнения баллона газом (80%), управляемый поплавком, расположенным в баллоне.

Дополнительно блок арматуры (мультиклапан) может быть оснащен:

- клапаном или вентилем отбора паровой фазы (1);

- клапаном сброса паровой фазы;

- указателем уровня топлива.

Мультиклапан помещён в вентиляционную коробку с крышкой, которая через вентиляционные шланги соединяется с атмосферой. При закрытой крышке система полностью исключает попадание газа в салон автомобиля при нарушении герметичности элементов блока арматуры (мультиклапана).

Мультиклапан представляет собой блок запорно-предохранительной ар-

матуры, установленной на баллоне. Он предназначен для автоматического кон-

троля уровня и прекращения заправки и подачи ГСН в магистраль. Мультикла-

пан обеспечивает герметичность баллона в случае аварийного обрыва трубок, а

при повышении давления в баллоне выше рабочего (1,6 МПа) стравливает газ,

предотвращая взрыв баллона. Основными элементами мультиклапана являются

(рисунок 3):

- корпус мультиклапана (блока арматуры) (3);

- заправочный штуцер, соединяющий магистраль от ВЗУ с полостью бал-

лона; оснащен шариковым обратным клапаном (4);

- заправочный вентиль, перекрывающий поступление газа в баллон (5);

- расходный штуцер жидкой фазы (6), соединяющий полость баллона с

магистралью, идущей в подкапотное пространство; оснащен шариковым ско-

ростным клапаном, отключающим баллон при обрыве магистрали;

- расходный вентель жидкой фазы, перекрывающий выход газа из баллона

(7);

- предохранительный клапан, настроенный на давление 2,5 МПа (2);

- ограничитель степени заполнения баллона газом (80%), управляемый по-

плавком, расположенным в баллоне.

Дополнительно блок арматуры (мультиклапан) может быть оснащен:

- клапаном или вентилем отбора паровой фазы (1);

- клапаном сброса паровой фазы;

- указателем уровня топлива.

Рисунок 3 − Схема мультиклапана

12 Следующая ⇒