24 сентября 2017, 9:36

Читайте нас в
социальный сетях:

Владимир Золотницкий Автомобильные газовые топливные системы. Часть 5

Владимир Алексеевич Золотницкий

Автомобильные газовые топливные системы

 

Часть 1

Часть 2

Часть 3

Часть 4

Часть 6

Часть 7

 

ЧАСТЬ 5

Установка для работы на сжиженном природном газе (СПГ) метане «Гелий – САГА»

 

Реализация новых технологических решений, направленных на использование сжиженного природного газа – метана (СПГ) в качестве моторного топлива, позволяет получить значительный экономический эффект благодаря уменьшению эксплуатационных затрат (обычная «Газель» при заправке газовым топливом проезжает не 200 км, как принято считать, а 450), а также создать энергетический мост в экологически благополучное общество.

Главная особенность в конструкции автомобильной установки для работы на СПГ – наличие бака криогенного топливного (БКТ) с высокими вакуумно-теплоизоляционными свойствами для хранения газа. Охлажденный до температуры –160 °C метан переходит в жидкое состояние уже при атмосферном давлении и значительно уменьшается в объеме.

Научно-производственная фирма «САГА» совместно с НПО «ГЕЛИЙМАШ» разработала газотопливное оборудование, предназначенное для содержания и подачи СПГ в БКТ и в двигатель автомобиля «Газель».

Рис. 31. Схема размещение АГТС «Гелий-САГА» на автомобиле «Газель»: 1 – редуктор-испаритель; 2 – теплообменник; 3 —трубопроводы подачи газа к теплообменнику; 4 – бак криогенный топливный; 5 – арматурный шкаф; 6 – дренажный трубопровод; 7 – панель приборов.

 

Схема размещения автомобильной газовой топливной системы (АГТС) «Гелий-САГА» на «Газели» приведена на рис. 31. Криогенный топливный бак (4) закреплен при помощи двух кронштейнов на правом лонжероне рамы автомобиля за кабиной водителя. Заправочное устройство контрольно-измерительные приборы установлены в арматурном шкафу (5), размещенном на БКТ. Дренажный трубопровод (6) предназначен для отвода в атмосферу парообразного газа, вышедшего из-под предохранительных клапанов, расположенных в арматурном шкафу, а также для аварийного сброса газа при повреждении арматуры. Дренажный трубопровод выведен над тентом бортового кузова и прикреплен к кузову хомутами. Аварийный сброс газа из БКТ осуществляется через скоростной клапан, также находящийся в арматурном шкафу.

Панель приборов (7), расположенная в кабине водителя, обеспечивает управление газовой аппаратурой и контроль ее работы.

На арматурном шкафу БКТ, окрашенном в красный цвет, белой краской сделана надпись «МЕТАН».

Рис. 32. Бак криогенный топливный.

 

Криогенный топливный бак представляет собой двойной/ цилиндрический резервуар (рис. 32), изготовленный из нержавеющей стали. Внутренний сосуд рассчитан на избыточное давление, равное рабочему давлению 0,5 МПа. Для поддержания требуемого разрежения в изолирующем пространстве между сосудом внутренним и кожухом для обеспечения термоизоляции наружная поверхность внутреннего сосуда покрыта высокоэффективной вакуумно-многослойной изоляцией (экранно-вакуумная теплоизоляция). Внутренний сосуд закреплен в кожухе двумя цилиндрическими опорными втулками из стеклопластика (на рисунке не показаны).

Вместимость газового сосуда 100 л. Количество СПГ, заливаемого в бак, 90 л (эквивалентный объем газа в нормальных условиях 60 м3).

Запас газа в баке обеспечивает примерно такой же пробег автомобиля, как и на бензине.

В баке газ хранится без потерь в течение пяти суток – так называемое бездренажное хранение. Тепло окружающей атмосферы нагревает бак, и примерно через 120 час давление в нем может увеличиться. При этом срабатывают предохранительные клапаны, и паровая фаза газа выбрасывается в окружающую среду через дренажный трубопровод. Сбросить газ бака для понижения давления можно также через шаровые краны (см. ниже) в дренажный трубопровод.

При заправке уровень СПГ в баке контролируют по манометру в арматурном шкафу, а при движении – по указателю уровня газа, который находится в кабине водителя.

Рис. 33. Арматурный шкаф: 1 – заправочный отсек; 2 – заправочная горловина; 3 – манометр; 4 – функциональный отсек; 5 – скоростной клапан; 6 – клапан переключения фаз; 7 – предохранительный клапан; 8 – шаровые краны.

 

Арматурный шкаф (рис. 33) смонтирован непосредственно на баке. Он состоит из двух отсеков: заправочного (1) и функционального (4). Каждый из отсеков снабжен самостоятельно открывающейся крышкой с замком. В заправочном отсеке на специальной панели размещены манометр (3) и заправочная горловина (2). В заправочной горловине объединены две линии – заправки и газосброса. В функциональном отсеке находятся предохранительные клапаны (7), скоростной клапан (5), клапан (6) переключения фаз и шаровые краны (8). Предохранительные клапаны настроены на рабочее давление 0,5 МПа.

При увеличении рабочего давления от 0,54 до 0,57 МПа клапаны открываются, и происходит сброс паров метана в дренажный трубопровод.

Скоростной клапан служит для отключения бака и прекращения подачи газа в случае повреждения или обрыва магистрального трубопровода.

Клапан переключения фаз выполняет две функции в зависимости от значения давления газа в баке. При давлении до 0,4 МПа в теплообменник (2) (см. рис. 31) подается жидкая фаза, если давление превышает 0,4 МПа – подается паровая фаза.

Теплообменник предназначен для испарения жидкой фазы и подогрева СПГ, поступающего в двигатель.

Трубопроводы системы изготовлены из нержавеющей стали с проходным сечением 8 мм и имеют тонкие стенки, так как вся система работает под небольшим давлением от 0,15 до 0,55 МПа.

АГТС «Гелий-САГА» работает следующим образом. Газ в жидком виде подается по магистрали в теплообменник, где подогревается жидкостью из системы охлаждения двигателя. В парообразном виде газ поступает непосредственно в газовую систему «CAГA-6». Далее дозировка газа осуществляется по традиционной схеме редуктором-испарителем «САГА-6», где его давление снижается до значения, близкого к атмосферному. Затем под действием разрежения во впускном трубопроводе двигателя газ поступает в смеситель, в котором смешивается с воздухом, и газовоздушная смесь через карбюратор направляется во впускной трубопровод и далее в цилиндры двигателя.

Автомобильная криогенная заправочная станция (КриоАЗС) , предназначенная для сжижения природного газа, его накопления и заправки сжиженным природным газом (СПГ) автомобилей. КриоАЗС подключена к газопроводу низкого давления 0,2–0,6 МПа и установлена в непосредственной близости от места расположения автопредприятия. Подобным образом КриоАЗС установлена на автокомбинате № 41 (г. Москва), эксплуатирующем 12–15 малотоннажных грузовых автомобилей «Газель» (рис. 34).

Рис. 34. Автомобильная криогенная заправочная станция: 1 – операторская с блоком управления; 2 – заправочная колонка СПГ; 3 – криогенная емкость для накопления и хранения СПГ; 4 – технологический блок; 5 – компрессорный блок.

 

Природный газ по трубопроводу от газораспределительного пункта поступает под давлением 0,25 МПа в компрессорное отделение (5), где сжимается до давления 20 МПа, очищается от масла и капельной влаги и подается в технологическое отделение (4). Здесь газ очищается от двуокиси углерода и паров воды, сжижается и при давлении 0,3 МПа по трубопроводу с вакуумно-многослойной изоляцией подается в криогенную емкость (3) для накопления и хранения СПГ. Из операторской, оснащенной блоком управления (1), по команде оператора сжиженный газ под давлением 0,25 МПа подается по раздаточному трубопроводу, оснащенному вакуумно-многослойной теплоизоляцией, к заправочной колонке (2), а от нее – в газовый баллон автомобиля «Газель».

Со своего поста оператор при помощи системы автоматического управления контролирует работу компрессорного и технологического отделений, криогенной емкости и заправочной колонки. Заправку автомобилей «Газель» оператор осуществляет при помощи пульта управления, расположенного на заправочной колонке. Максимальный заправочный объем – 90 л сжиженного природного газа. Время заправки – не более 15 мин.

 

 

Система «Nicolaus» (Италия)

 

Московская фирма «Эльпигаз» предлагает систему управления подачей газа «Nicolaus» итальянского производства, которую устанавливают в основном на недорогих подержанных иномарках или на отечественных автомобилях. Стоимость газовой системы, включая ее установку, не превышает 5 % от реальной стоимости автомобиля.

Первоначально эта система предназначалась для автомобилей с впрысковыми двигателями, оснащенными простыми системами управления впрыском. Использование системы «Nicolaus» на современных двигателях с распределенным впрыском вызывает некоторые трудности, связанные с возникновением обратных хлопков при работе на газе. Однако противохлопковый клапан, совмещенный со смесителем, который расположен перед дроссельной заслонкой, вполне справляется с этой задачей.

В состав системы входят также традиционные элементы, используемые в механических устройствах с электронным управлением: редуктор-испаритель с электромагнитным клапаном и смеситель газа, совмещенный с противохлопковым клапаном.

Газовоздушную смесь заданного состава формирует электрический дозатор с шаговым электродвигателем. В состав системы входят эмуляторы, подающие в базовый бензиновый электронный блок управления (ЭБУ) сигналы, имитирующие работу бензиновых форсунок, лямбда-зонда и других элементов.

Большинство функций системы управления «Nicolaus» сведено в один блок (рис. 35), что позволяет эффективнее, автоматически контролировать состав газовоздушной смеси во время работы двигателя на газе сжиженном нефтяном.

Рис. 35. Схема подключения системы «Nicolaus»: 1 – лямбда-зонд; 2 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 3 – блок системы управления БСУ «Nicolaus»; 4 – интегрированный переключатель; 5 – бабина; 6 – персональный компьютер; 7 – тестер программатор АУ215; 8 – датчик положения дроссельной заслонки; 9 – смеситель с противохлопковым клапаном; 10 – дозатор (аттуатор); 11 – штатный электронный блок управления; 12 – редуктор-испаритель; 13 – каталитический нейтрализатор.

 

При работе на этом топливе в управлении двигателем одновременно участвуют базовый бензиновый ЭБУ (11) и блок системы управления БСУ (3), который представляет собой самостоятельный многофункциональный микропроцессор. Он обрабатывает сигналы, поступающие от датчика кислорода (лямбда-зонда) (1), датчика числа оборотов двигателя RPM5 с катушкой зажигания или с тахометром, датчика положения дроссельной заслонки TRS8 и датчика температуры на редукторе (12).

БСУ – универсален и может устанавливаться практически на любую модель автомобиля при наличии программного обеспечения.

Программное обеспечение этого блока корректируется в зависимости от модели двигателя, дозатора газа, типа смесителя и выполняется непосредственно установщиком газового оборудования с помощью тестера-программатора «Эльпигаз» АЕ215, который может поставляться отдельно. Возможно также подключение блока системы управления через интерфейс (код АЕ 171) к переносному компьютеру 6 с соответствующим программным обеспечением.

При подключении этого прибора к блоку системы управления можно предварительно произвести тестирование основных элементов бензиновой системы и получить визуальное отображение цифровой и графической информации о работе системы управления двигателем на дисплее (7). Все это дает возможность существенно упростить, сделать доступной настройку газовой системы питания и обеспечить надежность ее последующей эксплуатации.

Система управления, на основании анализа полученных сигналов и сравнения их в блоке микропроцессора с заданными значениями подает главный проставляющий сигнал на дозатор с шаговым электродвигателем (аттуатор) (10).

Рис. 36. Дозатор (аттуатор): 1 – шаговый двигатель; 2 – шток.

 

Аттуатор (рис. 36) – это регулятор, устанавливаемый между редуктором-испарителем (12) и смесителем (9). Аттуатор изменяет поток газа во время работы двигателя по сигналам БСУ, которое использует сигнал от лямбда-зонда таким образом, чтобы газовоздушная смесь, поступающая в двигатель, имела состав, близкий к стехиометрическому (коэффициент избытка воздуха около 1). Это обеспечивает оптимальную и долговременную работу каталитического нейтрализатора (13) и гарантирует выполнение требований к выбросу отработавших газов на уровне, более низком, чем при работе данного двигателя на бензине.

Система позволяет предварительно выбрать смеситель для оптимальной работы с аттуатором.

Опыт эксплуатации систем, оснащенных управляемыми аттуаторами, показывает, что при работе в режиме холостого хода может возникнуть нестабильность. Система «Nicolaus», благодаря возможности точно устанавливать оптимальное начальное проходное сечение аттуатора и проверять этот показатель по отображению на дисплее программатора АЕ215, позволяет практически исключить этот недостаток.

Система «Nicolaus» посредством БСУ генератора сигналов может стимулировать действие лямбда-зонда во время работы двигателя на газе без использования дополнительных адаптеров и эмуляторов. Сигнал лямбда-зонда поступает в БСУ для формирования сигнала управления аттуатором (10) и затем поступает в ЭБУ, моделируя работу на бензине. Исключение составляют системы питания, оснащенные системами бортовой диагностики ЕОВД (European On Board Diagnostic). Отечественные бензиновые впрысковые двигатели пока не оснащаются ЕОВД, хотя их внедрение в автомобильную практику было бы очень полезно. В Европе эти системы устанавливаются с 2001 г.

В БСУ встроены реле для управления электромагнитами, которые используются для отключения цепи бензиновых форсунок (если двигатель не требует эмуляции форсунок) и стирания содержимого памяти ЭБУ в случае, если в процессе работы двигателя на газе блок управления бензиновым впрыском запоминает правильные показания датчиков.

БСУ также соединен с датчиком температуры (2), установленным на редукторе-испарителе (рис. 35). Благодаря этому обеспечивается автоматическое переключение двигателя с бензина на газ – по достижении редуктором-испарителем заданной температуры. Таким образом, газ поступает в двигатель в газообразном состоянии с минимальной задержкой. Водитель может не контролировать степень нагрева двигателя перед подключением на газ. При этом исключается подача в двигатель газа в жидком состоянии.

Интегрированный переключатель (4), входящий в систему, сигнализирует, каков резервный уровень газа в баллоне, переключает работу двигателя с бензина на газ и контролирует заданный режим питания (рис. 35).

Если запуск двигателя на бензине невозможен, можно запустить двигатель в аварийном режиме непосредственно на газе.

Предусмотрена цепь для автоматического управления электромагнитными клапанами для подачи газа на редуктор-испаритель и газовый фильтр.

Система подключена к датчику количества газа в баллоне, которое отображается индикаторами, расположенными на блоке переключателя «бензин – газ».

Таким образом, представленная система «Nicolaus» имеет широкий диапазон функциональных возможностей, обеспечивающих взаимодействие с любыми датчиками, установленными на автомобиле (лямбда-зонд, TRS, RPS), и возможности выбора оптимального режима работы дозатора для получения высоких показателей динамики движения и экономичности автомобиля.

 

 

Система «Elisa» (Италия)

 

В современных двигателях с распределенным впрыском бензина и электронным управлением количество топлива, подаваемое в камеру сгорания, а стало быть, и весь процесс подготовки и сжигания смеси, зависит от сигналов, поступающих с датчиков:

– расходомера, определяющего объем проходящего воздуха;

– датчика, посылающего сигнал о частоте вращения коленчатого вала двигателя;

– датчика, определяющего положение дроссельной заслонки (TPS);

– лямбда-зонда, сигнализирующего о количестве кислорода в выхлопных газах;

– датчика детонации;

– датчика, посылающего сигнал о температуре двигателя.

Компьютер, управляющий впрыском бензина, – бортовой электронный блок управления (ЭБУ) на основании полученных с датчиков сигналов определяет время открытия бензиновой форсунки для каждого цилиндра, обеспечивая при этом подачу оптимального количества бензина на каждом цикле «всасывание» работы цилиндров двигателя.

Современные европейские автомобили снабжают системой бортовой диагностики ЕОВД (Европейская Бортовая Диагностика), контролирующей работу двигателя при подготовке и сгорании топливной смеси. Автомобили, оснащенные этой системой, отвечают самым жестким требованиям, соответствующим новым стандартам по токсичности отработавших газов.

При установке на автомобиль газовых систем требуется оборудование, которое действует на принципах, совместимых с принципами работы системы впрыска бензина. Это системы последовательного или распределенного впрыска газа.

При использовании «Elisa» существенно улучшаются эксплуатационные и экологические характеристики двигателя.

Суть и условия работы двигателя, использующего эту систему, в следующем:

– дозирование газа выполняется на основе исходного сигнала для срабатывания бензинового инжектора;

– место подачи газового топлива максимально приближено к месту подачи бензина – перед впускным клапаном;

– впрыск газа производится в той же фазе цикла и в тот же цилиндр, что и впрыск бензина;

– сигналы электронного блока управления газовым топливом обеспечивают полную совместимость с ЕОВД.

Рассмотрим принцип работы системы «Elisa» фирмы «Эльпигаз» на основе схематичного изображения системы управления подачи газа (рис. 37).

Рис. 37. Схема соединений системы «Elisa»: 1 – блок форсунок четырехсекционный; 2 – газовый фильтр; 3 – редуктор-испаритель; 4 – переключатель вида топлива с указателем уровня газа в баллоне; 5 – ЭБУ газовый; 6 – ЭБУ бензиновый; 7 – бензиновые форсунки; 8 – датчик давления и разрежения.

 

Газ к форсункам подается под давлением 0,095 МПа оригинальным одноступенчатым газовым редуктором-испарителем (3). В каждый цилиндр газ поступает от соответствующей форсунки. Все форсунки конструктивно выполнены в форме единого блока (1), состоящего из четырех электромагнитных форсунок. Этот вариант дешевле, чем набор отдельных форсунок.

При работе на газовом топливе блок форсунок впрыскивает топливо во впускной трубопровод около впускных клапанов. Управляет открытием и закрытием этих форсунок установленный электронный блок управления газовой системы «Elisa» (5), который соединен с штатным электронным блоком управления (6) впрыскового двигателя; электропроводами, используемыми для управления бензиновыми форсунками.

В этом блоке электрическая цепь управления бензиновыми форсунками (7) размыкается. Таким образом, «газовый» ЭБУ «перехватывает» сигнал управления бензиновыми форсунками и производит корректировку этого сигнала, что необходимо в связи с особенностями работы двигателя на газе.

При корректировке бензинового сигнала придерживаются следующего принципа: количество дозируемого газового топлива, которое определяется временем открытия газовой форсунки, должно быть энергетически эквивалентно количественной потребности в бензине в данный момент, определяемый базовым ЭБУ (обеспечивается временем открытия).

Следует учесть, что увеличение времени открытия газовой форсунки ограничено. Чтобы избежать чрезмерного увеличения времени открытия газовой форсунки, необходимо увеличить ее пропускную способность путем подбора рабочего сечения штуцеров на выходе из форсунок.

Система «Elisa» позволяет, и в этом ее особенность, варьировать в конструкции газовых форсунок их рабочее сечение, чтобы подобрать требуемое.

Газовая форсунка представляет собой электромагнитный клапан, в который на выходе вставлен калиброванный штуцер (рис. 38). В каждый цилиндр газ подается своей форсункой. Газ от штуцера форсунки поступает в штуцер на впускном коллекторе (рис. 39) по резиновому трубопроводу. При этом используется сигнал, предназначенный для бензиновой форсунки того же цилиндра, что позволяет сохранить синхронизированный впрыск и при газовом режиме.

Рис. 38. Схема газовой форсунки: 1 – обмотка катушки соленоида; 2 – клапан; 3 – калиброванный штуцер.

Рис. 39. Коллектор с газовыми жиклерами.

 

При подборе калиброванных штуцеров необходимо учесть факторы, определяющие выбор диаметра их отверстия (рабочего сечения): мощность двигателя, количество цилиндров (см. табл. 2).

Во время работы на газовом топливе ЭБУ (5) (рис. 37) получает информацию о давлении и температуре газа, поступающего на форсунки, и о разрежении во впускном коллекторе.

Датчик давления и разрежения (8) отслеживает все изменения в газовой магистрали блока форсунок (1) впускного трубопровода, преобразовывает их и передает на ЭБУ газовой системы.

Разница #Р между давлением газа Pr, поступающего из редуктора-испарителя, и разрежением Pv впускного трубопровода есть абсолютное давление, которое и используется газовым ЭБУ для корректировки времени открытия газовой форсунки: #P=Pr—Pv.

Таблица 2. Параметры для выбора калиброванных штуцеров 4-цилиндрового двигателя
 

Датчик температуры газа, расположенный на блоке форсунок, также подает на ЭБУ газовой системы корректирующий сигнал. Таким образом, происходит измерение и учет величины абсолютного давления и температуры газа, которые постоянно меняются с изменением режимов работы двигателя и других внешних условий. Этим в значительной степени обеспечивается хорошая приемистость автомобиля, особенно на переходных режимах движения.

Оригинальный программный продукт ЭБУ газовой системы «Elisa» позволяет провести индивидуальный подбор, контроль и корректировку параметров впрыска газа. Настройка системы достаточно проста для выполнения благодаря тому, что все процедуры наглядно отображаются в среде Windows на экране персонального компьютера, подключенного через диагностический разъем к ЭБУ газовой системы. Это позволяет установить и настроить систему «Elisa» в мастерской.

Далее делается анализ выхлопных газов, и проверяются параметры во время дорожного теста. Предусмотрена также возможность ввода файла с программой для определенного типа автомобиля.

ЭБУ газовой системы одновременно выполняет задачу эмуляторов, без которых раньше не обходилось переоборудование впрысковых двигателей. Когда ЭБУ газовой системы получает сигнал управления бензиновыми форсунками, он одновременно посылает в базовый ЭБУ имитирующий сигнал нормальной работы электрической цепи этих устройств.

В системе «Elisa» не требуется проведение эмуляции сигнала лямбда-зонда.

Важнейшим достоинством системы «Elisa» является стопроцентное отсутствие «хлопков» во впускном трубопроводе.

Система управления подачей газа успешно эксплуатируется на большинстве известных зарубежных моделей легковых автомобилей (Daewoo, Ford, Renault, Peugeot, Opel, BMW и др.) и на отечественных (Волга, Жигули и др.).

У нас система «Elisa» была установлена на автомобиле ГАЗ-3110 с инжекторным двигателем (рис. 40). Пробег автомобиля с данным оборудованием был успешен. Уже пройдено 40 000 км, включая полный цикл зимней эксплуатации в условиях Москвы. Как показали испытания, эта система работает безотказно.

Рис. 40. Инжекторный двигатель ГАЗ-3110: 1 – датчик давления газа; 2 – электромагнитный газовый клапан; 3 – редуктор-испаритель; 4 – ЭБУ газа.

0 коментариев
 

Карта в мире ГБО

 

 Ежегодная выставка газового оборудования в Варшаве

  


Самая актуальная тема. связанная сегодня с использование газа на транспорте - регистрация газового оборудования в ГИБДД. 5-6 тысяч рублей - стоимость процедуры, утвержденной МВД. Давайте выскажемся - кто и что думает по этому поводу.

Случайное изображение