Система питания двигателя, работающего на сжатом природном газе (рис. 7.85) 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)
Заправочная газовая горловина 5 оснащена обратным клапаном и металлическим фильтром. Газовые трубопроводы высокого давления 7 изготавливаются из нержавеющей стали и рассчитаны на давление до 100 МПа (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.
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.
Подача газа в процессе заправки в баллон осуществляется в первый запорный клапан, при этом газ должен сначала пройти через обратный клапан 1 (рис. 7.86). Потом газ поступает к клапану отключения подачи газа 9, который в процессе заправки отключен, и своим высоким давлением отжимает тарелку клапана вверх. Таким образом открывается доступ газа в газовый баллон. Газ проходит мимо ручного запорного крана 5 и затем через ограничитель потока газа 3 попадает в газовый баллон 4. По завершении процесса заправки пружина закрывает клапан и, таким образом, доступ к газовому баллону. Отдельный канал напрямую соединяет газовый баллон с термическим предохранителем 11.
В режиме работы автомобиля на газе блок управления двигателя подает ток на катушку 7 клапана отключения подачи газа. Магнитное поле перемещает якорь 8 клапана отключения подачи газа вверх, открывая доступ к газовому баллону. При прекращении работы на газе блок управления двигателя отключает клапан, и пружина закрывает его, прекращая подачу газа из баллона.
Клапаны отключения подачи газа 9 представляют собой электромагнитные клапаны и получают управление с блока управления двигателя. Они являются составной частью запорных клапанов. Клапаны перекрывают доступ к газовым баллонам.
Ограничитель потока газа 3 представляет собой предохранительный клапан, расположенный в соединительном фланце газового баллона. Он предотвращает непроизвольный внезапный выход газа из баллона вследствие повреждения газовой магистрали или регулятора давления газа. При внезапном повреждении газовых магистралей может произойти внезапное падение давления в системе. Если давление в газовом баллоне на 2 кгс/ см2 больше давления в газовой магистрали, то уплотнительная втулка давлением в баллоне перемещается в седло. Таким образом, газовый баллон закрывается, утечка газа из него невозможна.
Термический предохранитель предотвращает разрушение газового баллона вследствие чрезмерного повышения давления из-за воздействия высоких температур. Ядром термического предохранителя является небольшая стеклянная капсула, содержащая жидкость и предотвращающая выход газа. При повышении температуры до 110° С и выше жидкость в капсуле расширяется, капсула лопается и природный газ выходит в атмосферу через специальные отверстия, что предотвращает возможность воспламенения в случае пожара в автомобиле или разрушения газового баллона из-за повышения температуры.
Ручной запорный кран служит для закрытия газового баллона при проведении любых работ по снятию и установке баллонов.
Редуктор давления газа (рис. 7.87) должен обеспечивать снижение давления газа с 20,0 до 0,6 МПа (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 7 открыт блоком управления двигателя, то газ под высоким давлением поступает к поршню 10 редуктора в камере высокого давления 8. Поршень редуктора соединен с камерой низкого давления посредством подпружиненной мембраны 11.
Если давление газа в камере низкого давления 9 меньше 0,6 МПа (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 0,6 МПа (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 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 (рис. 7.85). 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, качества природного газа, давления 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.
Дальнейшим совершенствованием систем питания, работающих на природном газе, является применение электронного регулятора давления газа (рис. 7.88).
Редуктор состоит из двух ступеней – первая механическая ступень редуктора 8 обеспечивает снижение давления до 2,0 МПа (20 кгс/см2), а вторая электронная 9 – до 0,5…0,9 МПа (5…9 кгс/см2).
При понижении давления газа поглощается много тепла. При этом температура значительно снижается, что может привести к обледенению. Чтобы избежать этого, регулятор давления газа соединён с системой охлаждения двигателя через штуцеры 4 и 5 и подогревается охлаждающей жидкостью.
Ниже рассматривается принцип работы электронного регулятор давления газа.
Давление газа понижается в электронном регуляторе давления в два этапа. При этом первая ступень редуктора механически понижает его до 2,0 МПа (20 кгс/см2).
Газ поступает от баллонов через штуцер высокого давления 1 в электронный регулятор давления (рис. 7.89). Там он устремляется сквозь два полых поршня 2 на правую сторону диска 8. Под действием возрастающего давления, направленного на диски 8, оба поршня смещаются влево, против потока газа и усилия пружин (рис. 7.89, а). Если давление на правой стороне диска составляет приблизительно 2,0 МПа (20 кгс/см2), полый поршень прижимается к прокладке и перекрывает проход газа (рис. 7.89, б). Давление на первой ступени редуктора понижается до 2,0 МПа (20 кгс/см2).
Поперечное отверстие 5 идёт к баллонному датчику давления, который измеряет давление в газовом баллоне и позволяет определить, выполнялась ли дозаправка газом.
На второй ступени редуктора давление газа с помощью электромагнитного клапана понижается до 0,5 …0,9 МПа (5…9 кгс/см2). Давление в контуре низкого давления измеряет датчик в распределительной магистрали.
Так как первая и вторая ступени редуктора связаны между собой каналом, давление в клапане составляет 2,0 МПа (20 кгс/см2), если на обмотку 3 не поступает ток (рис. 7.90, а). В этом случае игла 7 будет закрыта под воздействуем пружины.
Чтобы понизить давление газа до 0,5…0,9 Мпа (5…9 кгс/см2), клапан высокого давления управляется широтно-импульсным модулированным сигналом от блока управления двигателя и на обмотку поступает ток. Игла клапана смещается, и шарик 10 приподнимается над седлом (рис. 7.90, б). Теперь газ может проходить из полости высокого давления в полость низкого давления, пока не будет достигнуто требуемое давление.
В целях облегчения газовых баллонов в настоящее время применяются не металлические, а пластиковые. Для хранения природного газа используются два баллона из многослойного пластика (рис. 7.91) вместимостью 46 л. и массой 14,50 кг каждый без запорного топливного клапана.
Внутри баллона имеется слой из газонепроницаемого полиамида. Средний слой из углепластика обеспечивает высокую механическую жёсткость баллона. Наружный слой из стеклопластика эффективно защищает баллон от внешних повреждений. В качестве наполнителя в обоих композитных материалах используются высокопрочные эпоксидные смолы.
При работе на бензине охлаждение форсунок достигается за счёт протекающего сквозь них топлива (бензина). В случае газового топлива такое охлаждение отсутствует. Для более эффективного охлаждения форсунок на них ставится второе тефлоновое кольцо с хорошей теплопроводностью и алюминиевый корпус, что помогает отводить тепло форсунки в головку блока цилиндров.
Система питания двигателя автобуса, работающего на природном газе. Система питания двигателей, работающих на газовом топливе, принципиально не отличается от вышеописанных систем. В качестве примера рассмотрим систему питания автобуса МАЗ-203965 с двигателем Мersedes M 906 LAG, работающего на компримированном природном газе.
Оборудование для заправки и хранения газа включает шесть полимерно-композитных газовых баллонов объемом по 214 л. Газовые баллоны 1 (рис. 7.92) закреплены в алюминиевой кассете 2 установленной на крыше автобуса. Сверху баллоны закрыты декоративным аэродинамическим кожухом, который имеет спереди и сзади по ходу движения вентиляционные отверстия. Каждый газовый баллон оснащен комбинированным баллонным вентилем 3, который включает: автоматический запорный клапан, пропускающий газ только в баллон, открывание клапана на выход газа из баллона осуществляется электромагнитным приводом; ручной запорный кран 4; ограничительный клапан, который ограничивает поток при выходе газа из баллона; аварийный предохранительный клапан, который открывается при повышении давления в баллоне выше 260 бар, предохранительное устройство, которое выпускает газ из баллона при повышении температуры в отсеке до 110 ± 10 °С (такое же предохранительное устройство установлено с обратной стороны баллона).
Автоматические запорные клапаны баллонных вентилей открываются при поворачивании ключа зажигания в положение запуска двигателя. При остановке двигателя клапаны закрываются. Один из баллонов (задний) выполняет функции «маневрового», при переключении на который все другие баллоны отключаются автоматическими клапанами от системы питания.
Для заправки баллонов сжатым газом в задней правой части автобуса установлены два заправочных блока 1 и 2 (рис. 7.93) – для раздаточных кранов типов «NGV2» и «NGV1». Заправочный блок «NGV2» имеет большее проходное сечение, и заправка при его использовании производится в 2-3 раза быстрее. Для заправки на заправочных станциях с раздаточными кранами выполненных по ГОСТ следует использовать специальный переходник.
Газовый редуктор питания двигателя 13 состоит из регулятора давления газа с электромагнитным запорным клапаном и электропневматического преобразователя. При поворачивании ключа зажигания в положение запуска двигателя открывается электромагнитный запорный клапан газового редуктора, и СПГ поступает в редуктор. Газовый редуктор в зависимости от нагрузки на двигатель обеспечивает снижение давления до необходимого. Регулирование давления газа осуществляется с помощью электропневматического преобразователя, который преобразует электрический сигнал, поступающий от блока управления двигателем, в управляющее давление воздуха. Далее газ под низким давлением поступает к газовым форсункам двигателя (на каждый цилиндр одна форсунка). Так как при уменьшении давления газа его температура резко снижается, то для предотвращения обледенения газового редуктора к нему подводится охлаждающая жидкость.
Ручной запорный кран 21 обеспечивает отключение подачи газа от системы питания газом.
Газовый редуктор питания 20 снижает давление газа с того, под которым он находится в баллонах (макс. 200 кгс/см2), до атмосферного. Для предотвращения обледенения газового редуктора к нему подводится охлаждающая жидкость от системы охлаждения двигателя. Чтобы избежать чрезмерного перегрева редуктора в жидкостный трубопровод, идущий к редуктору, установлен термостат 17.
Для визуального контроля за давлением в баллонах рядом с заправочными блоками установлен механический манометр 4. Заправочные блоки 1 и 2 в эксплуатационном режиме отключены от системы краном заправки и дегазации 3 «ЗАПРАВКА» (рукоятка крана «ЗАПРАВКА» в положении «ЗАКР.»).
Оборудование для предварительной подготовки газа установлено в задней части автобуса и включает запорные, фильтрующие и регулирующие устройства.
В магистрали подачи газа к двигателю установлены:
— ручной запорный кран 23 «ДВИГАТЕЛЬ»;
— газовый фильтр высокого давления 5:
— газовый редуктор питания двигателя 13.
В магистрали подачи газа к подогревателю жидкости установлены:
— ручной запорный кран 21;
— газовый редуктор питания 20;
— электромагнитный клапан с задержкой по времени 16.
Ручной запорный кран 23 «ДВИГАТЕЛЬ» обеспечивает отключение подачи газа от систем питания газом двигателя. Газовый фильтр высокого давления 5 обеспечивает очистку поступающего газа от твердых частиц, паров масла и воды. Газовый редуктор питания двигателя 13 состоит из регулятора давления газа с электромагнитным запорным клапаном и электропневматического преобразователя.
Электромагнитный клапан с задержкой по времени 16 обеспечивает безопасное функционирование входного электромагнитного клапана газового редуктора, он открывает подачу газа через 1 сек после открывания клапана.
Автобус оборудован системой контроля за утечкой газа. Система состоит из пяти датчиков наличия газа. При наличии газа в любой контролируемой зоне в концентрации более 1% соответствующий датчик подает сигнал на блок управления, при этом на ЖК-дисплее высвечивается символ и (с указанием номера контролируемой зоны: салон – «CNG1», моторный отсек – «CNG2», отсек с заправочными блоками – «CNG3», отсек ПЖД – «CNG4», отсек с газовыми баллонами – «CNG5»), включается зуммер и звуковой сигнал установленный в задней части автобуса. При обнаружении системой наличия газа в любой контролируемой зоне блокируется включение стартера. Двигатель невозможно запустить до устранения утечки газа.
На Минском автомобильном заводе выпускаются также грузовые автомобили с двигателем Cummins BGe различных модификаций, работающих на компримированном природном газе.