Устройство автомобилей
Система питания двигателя от газобаллонной установки
Узлы и приборы газобаллонных установок
Газоподающая аппаратура
К газоподающей аппаратуре газобаллонной установки относятся следующие приборы и узлы:
- испаритель газа;
- подогреватель газа;
- газовый смеситель;
- фильтры газа;
- газовые редукторы;
- дозирующе-экономайзерное устройство.
Испаритель газа
Испаритель газа служит для преобразования сжиженного газа в паровую фазу (газообразное состояние). На рис. 1 показан испаритель, применяемый в отечественных газобаллонных установках грузовых автомобилей. Он состоит из двух частей, отлитых из алюминиевого сплава. Источником теплоты в этом испарителе служит жидкость из системы охлаждения двигателя.
Сжиженный газ проходит через теплообменник испарителя и превращается в газообразное состояние. Испаритель обеспечивает нормальную работу двигателя при температуре охлаждающей жидкости не менее 80 ˚С, поэтому для запуска и разогрева двигателя чаще всего прибегают к работе на традиционных видах топлива (бензине).
Подогреватель газа
Подогреватель газа служит для предварительного подогрева сжатого газа в целях исключения конденсации влаги в газопроводах и замерзании ее в зимнее время.
На отечественных грузовых автомобилях устанавливается подогреватель (рис. 2), в котором используется теплота отработавших газов.
Подогреватель состоит из корпуса 2, в котором размещен теплообменный змеевик 5. Подогреватель подключается к системе выпуска отработавших газов до глушителя. Отработавшие газы, проходя через корпус подогревателя, омывают змеевик, по которому проходит сжатый газ, и подогревают его.
Затем отработавшие газы, пройдя подогреватель, выбрасываются в окружающую среду, минуя глушитель, через приваренный выходной патрубок 6.
Интенсивность подогрева газа регулируется размером отверстия специальной дозирующей шайбы.
Фильтры газа
Фильтры служат для очистки газа от механических примесей.
Фильтры могут быть войлочными с кольцами и сетчатыми. Они устанавливаются в магистрали после испарителя. Сетчатый фильтр устанавливается, как правило, на газовом редукторе, а фильтр с войлочными кольцами объединяется с электромагнитным клапаном.
На автомобилях, работающих на сжатом газе, один фильтрующий элемент устанавливается на входе в редуктор высокого давления, другой – на линии низкого давления перед двухступенчатым редуктором.
Фильтр состоит из корпуса 2 (рис.3), стакана 4, войлочного фильтрующего элемента 3 и стяжного болта 5.
Электромагнитный клапан 1 находится нормально закрытом положении и при включении его в бортовую электросеть автомобиля (включение зажигания) открывается и пропускает газ в питающую газовую магистраль.
Газовые редукторы служат для понижения давления сжиженного или сжатого газа до давления, близкого к давлению окружающей среды (атмосферному).
Для газобаллонных установок сжиженного газа используют двухступенчатые редукторы низкого давления, а для установок сжатого газа дополнительно используют одноступенчатый редуктор высокого давления.
Двухступенчатый газовый редуктор
Двухступенчатый газовый редуктор (рис. 4) предназначен для всех отечественных грузовых газобаллонных автомобилей. Конструктивно с ним объединено дозирующее-экономайзерное устройство.
При неработающем двигателе электромагнитный клапан закрыт, и газ во входной штуцер 8 редуктора не поступает. В этом случае давление в полости Д, которая связана с окружающей средой, прогибает мембрану 11 вниз и через рычаг 10 открывает клапан 7 первой ступени редуктора.
В полости Б также давление, соответствующее давлению окружающей среды, поэтому мембрана 2 через пружину 5 и шток 4 перемещает рычаг 1 вверх и открывает клапан 12 второй ступени редуктора. Давление во всем редукторе соответствует давлению окружающей среды.
При включении зажигания и открытом магистральном вентиле газ через вход I, клапан 7 поступает в полости Г и В и воздействует на мембраны 11 и 2. Если двигатель не работает и потребления газа нет, то эти мембраны закрывают клапаны 12 и 7.
При пуске двигателя через выход II разрежение передается в полость Г, открывая клапан 7.
При малых нагрузках эта система поддерживает в полости В давление 50…100 кПа. По мере открытия дроссельных заслонок срабатывает клапан 13 экономайзера.
Разрежение передается на мембрану снизу, и пружина экономайзера прогибает мембрану вверх, открывая клапан и пропуская дополнительное количество газа на выход II.
Одноступенчатый редуктор высокого давления
Одноступенчатый газовый редуктор высокого давления (рис. 5) служит для снижения давления сжатого газа до 1,2 МПа.
Газ из баллона поступает в полость А редуктора через штуцер с накидной гайкой 15 и керамический фильтр 14 к клапану 12. На клапан давит сверху через толкатель 3 и мембрану пружина редуктора.
При давлении газа в полости Б меньше заданного пружина редуктора через толкатель опускает клапан 12, пропуская через образовавшуюся щель газ в полость Б. Газ при этом проходит дополнительный фильтр 11. При достижении заданного давления в полости Б мембрана 2 прогибается вверх, преодолевая усилие своей пружины, и клапан 12 под действием пружины 13 поднимается и закрывает проход газа.
Выходное давление регулируется рукояткой с винтом 4. Работа редуктора контролируется по манометру, принимающему сигнал от датчика высокого давления 1 и сигнализатора падения выходного давления 6 (аварийного датчика).
Газовый смеситель
Газовые смесители предназначены для приготовления горючей смеси и регулирования ее подачи в цилиндры двигателя в соответствии с режимами его работы. Их изготовляют в виде автономного прибора (в чисто газовом варианте) или совмещают с карбюратором.
В последнем случае прибор называется карбюратором-смесителем и отличается от обычного карбюратора наличием форсунки для ввода в него газа. При этом сохраняется способность работы двигателя на бензине без изменения динамических и экономических показателей.
Газовую форсунку размещают либо в проставке между корпусом дроссельных заслонок и диффузорами, либо вводят в диффузор сверху.
Смесители для газового варианта имеют простейшую конструкцию, схема соединения газовых каналов смесителя и редуктора показана на рис. 6.
Смесители не имеют ускорительных насосов, так как в отличие от бензина плотность нефтяного и природного газов мало отличается от плотности воздуха. Следовательно, при резком открытии дроссельных заслонок переобеднения горючей смеси не произойдет.
Основная подача газа осуществляется дозирующее-экономайзерным устройством 1 через канал 2, обратный клапан 6 и газовые форсунки 7, которые расположены в узком сечении диффузоров 8.
При работе двигателя на минимальной частоте вращения холостого хода обратный клапан 6 закрыт, отверстие прямоугольного сечения находится в зоне низкого разрежения, и газ поступает в задроссельное пространство через круглое отверстие 3. Количество поступающего газа регулируют винтом 11. Воздух в этом случае поступает через щели между дроссельными заслонками и стенками смесительных камер.
При открывании дроссельных заслонок 5 прямоугольные отверстия 4 переходят в зону высокого разрежения, через них начинает поступать газ, частота вращения коленчатого вала и мощность двигателя увеличиваются.
Общую подачу газа в систему холостого хода регулируют винтом 10.
С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя увеличивается разрежение в диффузорах 8 и открывается обратный клапан 6, включающий основную подачу газа.
Газ в систему холостого хода подается по двум каналам: непосредственно из второй ступени редуктора по каналу 12 и из полости за дозирующим устройством по каналу 2.
Такая конструкция обеспечивает плавный переход с режима холостого хода на режим частичных нагрузок и отсутствие переобогащения горючей смеси на малых нагрузках.
Устройство газовых смесителей для автомобилей
Основная функция смесителя — смешивание газового топлива с воздухом. Отсюда и название.
При подводе газового топлива до штатной дроссельной заслонки смеситель выполняет еще одну важную функцию: задает качество газовоздушной топливной смеси.
Принцип работы смесителя
Смесители производства НЗГА.
По конструкции смесители можно условно разделить на кольцевые и с соплом. Варианты конструкций смесителей поясняются на рисунках.
В случае, если смеситель задает качество топливной смеси, должно примерно выполняться соотношение:
где:
D — диаметр проходного сечения смесителя для воздуха;
d — диаметр отверстия для выхода газа;
N — количесво отверстий для выхода газа;
Sr — объемное стехиометрическое отношение используемого газового топлива.
-подробнее о стехиометрическом отношении.
Для смесителя со щелью:
где h — высота щели.
В смесителе кольцевого типа перемешивание газа с воздухом обеспечивается за счет наличия большого количества отверстий для выхода газа, равномерно распределенных на стенке канала, по которому подается воздух в двигатель. В смесителе на основе сопла равномерное перемешивание обеспечивается за счет ввода газа в центр воздушного потока.
В первом случае достигается лучшее, чем во втором случае, перемешивание. Однако из-за того, что скорость потока воздуха у стенок ниже, чем средняя скорость потока, хуже, чем во втором случае, выдерживается заданное объемное отношение воздух/газ.
На практике смесители на основе сопла и щели чаще используются при подводе газа до штатной дроссельной заслонки. При подводе газа во впускной коллектор (после штатного дросселя) используются в основном кольцевые смесители с отверстиями.
Другие конструкции смесителей
При выходе газа сквозь отверстия:
;
Для «щелевого» варианта:
При выходе газа сквозь отверстия:
;
Для «щелевого» варианта:
Принцип работы смесителя
Смесители производства НЗГА.
Газовоздушные смесители
Смесители являются устройствами, в которых смешиваются газ и воздух, образуя горючую смесь.
На газобаллонных автомобилях разных моделей с двухтопливными системами питания, предназначенными для работы, как на газовом топливе, так и на бензине, применяются различные типы смесителей: проставки, карбюраторы-смесители.
Наиболее простыми и эффективными являются газовые форсунки (рис. 2.24), устанавливаемые на карбюраторы ДААЗ типа «Солекс» и «Вебер». Монтаж форсунок заключается в просверливании в стенках и диффузорах первичной и вторичной камер карбюратора двух отверстий диаметром 8 мм в местах наибольшей скорости истечения газов, т.е. в самых узких местах диффузоров. Далее следует нарезание резьбы М10 и ввинчивание штуцеров до центра диффузоров с направлением их конуса вниз, как показано на рис. 2.24. На штуцерах крепятся хомутами два газоподводящих патрубка. Такой усовершенствованный карбюратор-смеситель обеспечивает стабильность регулировочных характеристик холостого хода, всех показателей двигателя при работе на бензине и газе.Ну, а если нет желания устанавливать штуцеры на дорогостоящем карбюраторе (при этом надо сверлить, нарезать резьбу и т.д.), то можно, например, для «Волги» ГАЗ-24 ограничиться впайкой в переходную коробку воздушного фильтра газоподводящих патрубков.
Рис. 2.24. Газовая форсунка.
Смесительные устройства типа проставок (рис. 2.25) можно разделить на две группы. К первой группе относятся смесители, которые устанавливаются над карбюратором или в корпус воздухоочистителя, а ко второй – плоские смесители, устанавливаемые в средней части карбюратора. Смесительные устройства первой группы не требуют снятия, разборки или доработки карбюратора, а сам смеситель должен обладать минимальным сопротивлением потоку воздуха и не влиять на показатели двигателя при работе на бензине. На практике из-за введения в воздухозаборник такой проставки повышается сопротивление на впуске потока воздуха в карбюратор, что приводит к перерасходу бензина. При эксплуатации наблюдается нестабильность работы двигателя, особенно на режиме холостого хода.
Смесительные устройства второй группы – это плоские тонкие смесители.Их установка достаточно трудоемка. Этот тип смесителей имеет ряд преимуществ. Они лучше смешивают газ и воздух, минимально влияют на работу двигателя на бензине.
Рис. 2.25. Плоские смесительные проставки: а – устанавливаемые над карбюратором; б – устанавливаемые в середине карбюратора
На автомобилях с карбюратором «Озон» ДААЗ-2105,-2107,-2140 журнал «За рулем» рекомендовал устанавливать смеситель между корпусом дроссельных заслонок и поплавковой камерой взамен штатной теплоизоляционной прокладки с доработкой карбюратора путем просверливания по кондуктору в корпусе дроссельных заслонок двух отверстий разных диаметров.
Разработчиками системы»САГА— 6″ был спроектирован смеситель, состоящий из сопла Лаваля, через которое проходит воздух в двигатель, с вмонтированной в его сужении трубкой Вентури, через которую засасывается газ. Устройство обеспечивает стехиометрический состав смеси независимо от режима работы двигателя.
Постоянное давление газа на смесителе поддерживает редуктор, снижающий давление от 1.6 МПа до атмосферного, с возможностью регулировки выходного давления в пределах ±20 мм.вод.ст., и поддерживающий это давление при любых расходах газа с большой точностью.
Газовые смесители с большим коэффициентом усиления устанавливаются над карбюратором в полости воздушного фильтра или между воздушным фильтром и карбюратором.
Для иномарок, оборудованных системой впрыска топлива и турбонаддува (рис.2.26), в кожухе воздушного фильтра устанавливаются смесители первой группы, смесители второй группы устанавливаются «вверх по течению» инжекторов между манометром потока воздуха и его всасывающей трубой. Установка не представляет особых сложностей, необходимо только снять соединительный фланец с воздушного манометра и вставить смеситель, используя крепежные винты, поставляемые вместе со смесителем.
Рис.2.26. Смесители для иномарок, оборудованных системой впрыска топлива: а – смеситель первой группы; б – смеситель второй группы.
Серийный карбюратор-смеситель К-126С устанавливают на автомобиль ГАЗ-24 (рис. 2.27). В основу его конструкции положен карбюратор К-126Г бензинового двигателя, в который встроены дополнительные три газовые дозирующие системы – холостого хода, главная и эконостатная.
Газовая система холостого хода, снабженная регулировочным винтом, сообщается с задросселъным пространством через газовый канал с одним выходным отверстием. Выходные отверстия главной газовой дозирующей системы расположены в больших диффузорах по окружности. Газовая эконостатная система размещена в корпусе карбюратора-смесителя.Все три газовые системы соединены с газораспределительной полостью, выполненной в виде отдельного элемента, устанавливаемого на корпусе карбюратора-смесителя.
Карбюратор-смеситель, состоящий из двух систем топливоподачи – газовой и бензиновой, обеспечивает равноценную работу двигателя, как на газе, так и на бензине.
Газовая система питания содержит газораспределительную полость 28, в которой размещены регулировочный винт 22 системы холостого хода, топливные жиклеры 23 и 25 главной дозирующей системы первичной и вторичной камер, топливный жиклер26 эконостата и газоподводящий патрубок 27.
Большой съемный диффузор19 с полостью 30 дозирующей системы и полостью29 эконостата размещен в главном воздушном канале. Каждый диффузор19 имеет по 12 радиальных выходных отверстий34 диаметром 2.8 мм.
Конструкция данного диффузора была оптимизирована по результатам совместных работ ЗМЗ–ТАДИ.
Эконостат состоит из горизонтального канала, сообщающегося с полостью29, и вертикального канала с распылителем газа 5, входящим в главный воздушный канал вторичной камеры.
По результатом проведенных работ под руководством автора в ТАДИ было разработано оригинальное газосмесительное устройство (а.с. 1673746. МКИ F 02М, 21/02 Базаров Б.И. и др. заяв. 27.12.89. опуб. 30.08.91; Бюл. № 32) с применением дозирующих элементов газа переменного сечения ( рис2.29) данное устройство позволяет частично устранить влияние гидравлического сопротивления впускного тракта (выходное давление газа в зависимости от режима работы составляет +20….+40 мм вод.ст. (+196…392 Па) вместо +15…-25 мм вод.ст.(+17…-245 Па) на показатели газового двигателя и тем самым частично реализуется преимущество инжекторной системы подачи топлива и, следовательно, улучшаются пусковые и динамические свойства газовых ДВС.
Бензиновая система питания включает входной штуцер с сетчатым фильтром15, подвешенный на оси поплавок16, взаимодействующий с топливной иглой18 клапана 17. В крышке13поплавковой камеры находятся воздушная заслонка10 и балансировочное отверстие3.
Система холостого хода имеет топливный жиклер11, воздушный жиклер12, соединительные каналы, регулировочный винт 21 и эмульсионный винт холостого хода (винт качества горючей смеси) 20.
В состав переходной системы вторичной камеры входят топливный жиклер 7, каналы, воздушный жиклер 6 и выходное отверстие, расположенное над верхней кромкой дроссельной заслонки.
Главная дозирующая система состоит из главного топливного жиклера 2, эмульсионной трубки 4 с отверстиями и главного воздушного жиклера14. Дополнительная дозирующая система – эконостат действует при открывании дроссельных заслонок, близком к полному. Под действием разрежения дополнительное количество топлива через жиклер эконостата и распылитель 8 поступает во вторичную камеру, обогащая смесь.
Ускорительный насос, снабженный штоком 1 с разбалансировочным каналом 33, включает в себя поршень с манжетой31, обратный клапан 32, нагнетательный клапан 24, распылитель 9 ускорительного насоса и распылитель 8 эконостата.
Рис.2.27. Карбюратор-смеситель К-126С:а– карбюратор; б – диффузор; 1 – шток ускорительного насоса; 2 – главный топливныйжиклер; 3 – балансировочное отверстие; 4 – эмульсионная трубка; 5 – газовый распылитель эконостата; 6 – воздушный жиклер переходной системы; 7 – топливный жиклер переходной системы; 8 – распылитель эконостата; 9 – распылитель ускорительного насоса; 10 – воздушная заслонка; 11 – топливный жиклер холостого хода; 12 – воздушный жиклер холостого хода; 13 – крышка поплавковой камеры; 14 – главный воздушный жиклер; 15 – топливный фильтр; 16 – поплавок; 17 – топливный клапан; 18 – игла; 19 – большой диффузор; 20 – регулировочный винт качества смеси; 21 – винт токсичности; 22 – регулировочный винт газовой системы холостого хода; 23 – топливный газовый жиклер; 24 – нагнетательный клапан; 25 – топливный газовый жиклер вторичной камеры; 26 – топливный жиклер эконостата; 27 – газоподводящий патрубок; 28 – газораспределительная полость; 29 – полость эконостата; 30–полостьглавной дозирующейсистемы; 31 –поршень с манжетой ускорительного насоса; 32 – обратныйклапан; 33 –разбалансировочный канал.
Рис 2.28. Газовый смеситель с дозатором переменного сечения.
Для ГБА, оснащенных двигателями, работающими только на газе с большим рабочим объемом, и газовых автобусов используются смесители типа СГ-250 (для запуска и прогрева двигателя одновременно могут использоваться простейшие вспомогательные карбюраторы).
Смеситель СГ-250 (рис. 2.29) имеет два диффузора с воздушными 4 и дроссельными 11 заслонками, которые открываются в обеих камерах одновременно. Для подачи газа используются патрубки главной системы 7 и систем переходных режимов и холостого хода 6. Регулировка частоты вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу, переходных режимах и токсичности выполняется винтами 7 и 8.
Рис. 2.29. Смеситель СГ-250: 1 и 6 – патрубки подвода газа; 2 – обратный клапан; 3 – крышка; 4 – воздушная заслонка; 5 – газонаполнительное устройство; 7– регулировочный винт переходных режимов; 8 – регулировочный винт системы холостого хода; 9 – канал холостого хода; 10 – канал переходного режима; 11 – дроссельная заслонка.
В режиме запуска и прогрева двигателя воздушные и дроссельные заслонки закрыты, и обогащенная газовоздушная смесь образуется при поступлении газа через канал 10. В режиме холостого хода воздушная заслонка открыта, а дроссельная закрыта, и газ поступает через канал 10 и канал холостого хода 9. Обратный тарельчатый клапан 2 при этом препятствует поступлению газа из главной системы.На переходных режимах, частичной и полной нагрузки дроссельная заслонка находится в различных открытых положениях, и газ поступает через клапан 2 и каналыхолостого хода и переходного режима 9.
При переоборудовании автомобиля установка такого смесителя или универсального газобензинового карбюратора требует дополнительных затрат. Значительно снизить стоимость переоборудования можно, устанавливая смесительные устройства на штатных бензиновых карбюраторах. Этот способ подачи газа нашел наибольшее распространение как наиболее доступный, простой и дешевый.
Существует три основных варианта подачи газа по месту установки газовых смесителей. Наиболее простым является установка смесителя на верхнюю часть карбюратора (рис. 2.30). Такие смесители называют насадкой. Насадка 2 устанавливается в корпус воздушного фильтра 1.
Рис. 2.30. Схема подачи газа над карбюратором: 1– воздушный фильтр; 2 – смеситель-насадка; 3 – отверстие для подвода газа; 4 – корпус карбюратора.
Пример установки насадки РЗАА на карбюратор типа «Озон» представлен на рис. 2.31. Газ поступает в периферийную кольцевую полость 7 и из нее через каналы 6к центральному кольцевому отверстию 5. В этом отверстии и далее в диффузоре карбюратора газ смешивается с воздухом, поступающим из воздушного фильтра. Для подачи газа в насадку необходимо просверлить отверстие в корпусе воздушного фильтра.
На рис. 2.32 представлены различные варианты газовых смесителей НПФ «САГА».
Другим способом подачи газа является установка плоской проставки между частями карбюратора. На рис. 2.33 представлен вариант проставки ЗАО «Автосистема». Проставка 9 устанавливается между средней 1 и нижней 3 частью карбюратора. Для этого необходимо демонтировать карбюратор с впускного коллектора 4 и разобрать его. Проставка 9 устанавливается на место теплоизоляционной прокладки. Газ поступает на входные штуцеры насадки и по внутренним каналам к отверстиям, расположенным по кольцевому периметру внутренних отверстий насадки.
На ряде карбюраторов, например типа «Солекс», установку такой насадки невозможно выполнить конструктивно.
Третий способ подачи газа заключается в установке в корпусе карбюраторов штуцеров 2 (рис. 2.34). Для этого необходимо сверление в корпусе в зоне максимального сужения диффузоров карбюратора двух отверстий диаметром 8. 10 мм в зависимости от рабочего объема двигателя. Штуцеры ввинчиваются в эти отверстия. Однако такой на первый взгляд простой способ требует большой трудоемкости и хорошего знания конструкции карбюратора, так как необходимо точно определить место сверления отверстий, чтобы не повредить внутренние каналы карбюратора.
Рис. 2.31. Газовый смеситель-насадка РЗАА на карбюраторе «Озон»:
1 – корпус карбюратора; 2 – штуцер подвода бензина; 3 – насадка;
4 – впускной коллектор; 5 – центральное кольцевое отверстие; 6 – канал;
7 – периферийная кольцевая полость.
Рис. 2.32. Газовые смесители НПФ «САГА»: 1 – для карбюраторов типа «Озон», «Солекс» (ВАЗ); 2 – для карбюраторов К-151 (ГАЗ); 3 и 4 – для автомобилей иностранного производства; 5 – для инжекторных систем питания.
Предпочтительным считается применение проставок и штуцеров, так как они практически не оказывают влияния на работу двигателя на бензине и одновременно обеспечивают при работе на газообразном топливе эффективные показатели мощности двигателя, расхода газа и низкую токсичность.
Газовые смесители обычно рассчитаны насовместную работу сгазовым редуктором определенного типа.
При переоборудовании бензиновых инжекторных систем питания для работы на газовом топливе также используются насадки. Они устанавливаются в разрыв воздушного трубопровода перед дроссельной заслонкой.
В отличие от рассмотренного выше смесителя СГ-250 газоподающие системы с установленными на штатных бензиновых карбюраторах смесителями оснащаются дополнительными устройствами для регулировки минимальной частоты вращения на холостом ходу, а также для регулировки и управления подачи топлива на различных режимах. Для этого используютсядозаторы, или дозирующе-экономайзерные устройства (ДЭУ).
Рис.2.33. Газовый смеситель-проставка ЗАО «Автосистема» на карбюраторе «Озон»: 1 – средняя часть корпуса карбюратора; 2 – воздушный фильтр; 3 – нижняя часть карбюратора; 4 – впускной коллектор; 5, 7 и 11 – хомуты; 6 – патрубок подвода теплоносителя; 8 – патрубок подвода газа; 9 – проставка-смеситель; 10 – штуцер подвода бензина.
Рис. 2.34. Схема подачи газа через штуцер: 1 – воздушный фильтр; 2 – штуцер для подвода газа; 3 – корпус карбюратора