Классификация газовых систем питания и основные понятия

 

Классификация газовых систем питания

По принципу работы, применяемые в настоящее время газовые системы, можно разделить на четыре поколения:

•  I поколение

Механические системы с вакуумным управлением, которые устанавливают на бензиновые карбюраторные автомобили.

•  II поколение

Механические системы, дополненные электронным дозирующим устройством, работающим по принципу обратной связи с датчиком содержания кислорода (лямбда-зонд). Они устанавливаются на автомобили, оснащенные инжекторным двигателем и каталитическим нейтрализатором отработавших газов.

•  Ш поколение

Системы, обеспечивающие распределенный синхронный 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.

•  IV поколение

Системы распеделенного последовательного впрыска газа с электромагнитными форсунками, которые управляются более совершенным электронным блоком. Как и в системе предыдущего поколения, газовые форсунки устанавливаются на коллекторе непосредственно у впускного клапана каждого цилиндра.

Системы первого и второго поколений имеют ряд недостатков, и не отвечают действующим в настоящее время стандартам ЕЭК ООН. Токсичность отработавших газов (ОГ) автомобилей, оснащенных такими системами, как правило, находится на уровне норм ЕВРО-1, которые действовали в Европе до 1996 года, и лишь в отдельных случаях приближаются к нормам ЕВРО-2. В связи с этим, производители газового оборудования разработали системы третьего и четвертого поколений, которые находят все большее распространение.

 Газовые системы в Европе

Системы с распределенным впрыском газа конструктивно сложнее, а значит дороже. Вместе с этим, по сравнению с механическими системами они имеют ряд преимуществ:

- точное дозирование подачи газа;

- меньший расход топлива;

- снижение мощности двигателя только на 2-3% (у систем I и II поколений – (5-7)%;

•  снижение токсичности отработавших газов до норм ЕВРО-3 и ЕВРО-4

•  отсутствие режимов обеднения смеси, которые приводят к резкому повышению температуры впускных и выпускных клапанов и выходу их из строя;

•  исключение "хлопков" – эффект , возникающий при воспламенении топливной смеси во впускном коллекторе, разрушающий датчики массового расхода воздуха, корпуса воздушных фильтров и другие элементы

Статья опубликована в журнале "Новости авторемонта" под названием "За вас, за нас и – за газ!" в номере 16 за август 2003 г.Авторы: Петров А. Б., Трофимов Ю. В., Фролов Ю., Ширяев А. В..

Основные понятия

пожаровзрывоопасность веществ и материалов — совокупность свойств, характеризующих их способность к возникновению и распространению горения.

горение

•  физико-химический процесс, при котором превращение вещества сопровождается интенсивным выделением энергии и тепло- и массообменом с окружающей средой. Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения, либо быть инициированным зажиганием. Переход медленной химической реакции в режим горения обусловлен нелинейной зависимостью константы скорости реакции от температуры, вследствие чего реакция при определенных (критических) условиях начинает идти с прогрессирующим самоускорением. Наиболее обширный класс реакций горения - окисление углеводородов (горение природных топлив) и др. Универсальная энциклопедия :

( http://www.megakm.ru/bes_98/encyclop.asp?Topic=topic_gor50 ); следствием горения, в зависимости от его скорости и условий протекания, могут быть пожар (диффузионное горение) или взрыв (дефлаграционное горение при ламинарном, или фронтовом характере потока предварительно перемешанной смеси горючего с окислителем). Если же смесь горючего с окислителем имеет характер турбулентного (носящего случайный характер) потока, то следствием горения может быть как дефлаграция, так и детонация (см.ниже);

2. Горение – экзотермическая (во вне, в окружающую среду выделяется тепло) реакция, протекающая в условиях ее прогрессивного самоускорения.

взрыв :

1. быстрое преобразование веществ (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить работу ;

2. в ограниченном объеме за короткий промежуток времени воспламенение чего-нибудь с освобождением большого количества энергии , с образованием сильно нагретого газа с очень высоким давлением , который при расширении оказывает механическое воздействие (давление, разрушение) на окружающие тела.

Скорость пламени при взрыве зависит от типа взрыва: дефлаграционный или детонационный.

дефлаграция (от лат. deflagratio) - сгорание дотла. То же, что выгорание взрывчатого вещества.

Дефлаграция - взрыв горючей смеси в ограниченном объеме, фронт реакции которого распространяется с дозвуковой скоростью. С разу после поджига взрывоопасной смеси скорость взрыва действительно ничтожна - всего полметра в секунду. Однако, при определенных условиях, газовая смесь, разогретая пламенем, может вскоре расшириться в 8 раз, и пламя уже бежит резвее, около пяти метров/сек. А затем фронт взрыва может разгоняться до 150 м/сек. Для справки: скорость урагана, когда сносит крыши, людей и технику, - всего 30 м/сек. Плюс - пламя и давление... Взрывы горючих газовых смесей - в основном дефлаграционные.

детонация :

1. мгновенный и разрушительный взрыв , вызванный взрывом другого вещества при соприкосновении с ним или на расстоянии (повышение температуры и самовоспламенение от повышения давления, а не источника воспламенения );

2. процесс химического превращения взрывчатых веществ, распространяющийся со сверхзвуковой скоростью (до 9 км/сек – свыше 30 тыс.км/час)

" хлопок " , или " обратный хлопок " (профессиональный слэнг) – ВЗРЫВ.

В ГОСТ 12.1.044-89 "Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. ..." и в других материалах газовоздушные смеси, в т.ч. и пропан-бутановая, и метановая определяются как взрывоопасные, а не хлопокопасные. Поэтому "хлопок" для полноты картины лучше именовать все-таки взрывом.

пожар - неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб. Он характеризуется: образованием открытого огня и искр; повышенной температурой воздуха, предметов и т. п., токсичных продуктов горения и дыма; повреждением <...> установок; возникновением взрывов. Все это относится к опасным и вредным факторам, воздействующим на людей .

Причинами взрывов и пожаров могут быть не только халатность и небрежность людей, но и ошибки в проектировании, нарушения технологического процесса. Пожары – проблема государственной важности, но автомобилисты почему-то оказались обделены и вниманием, и заботой Государства в лице своих надзор-органов.

горючие (сгораемые) вещества - вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться при воздействии источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления. Они, в свою очередь, подразделяются на:

- легковоспламеняющиеся - способны воспламеняться от кратковременного воздействия источника зажигания с низкой энергией (нагретого тела, искры, и т. п. ),

- средней воспламеняемости - от длительного воздействия источника зажигания с низкой энергией,

- трудновоспламеняющиеся - только под действием мощного источника зажигания.

горючие газы относятся к взрывоопасным при любых температурах окружающей среды.

В подавляющем большинстве случаев взрыв и / или пожар возникают в результате комбинации трех ключевых составляющих, получивших название "треугольник риска":

- горючее (например, в виде газа)

- кислород (например, содержится в воздухе в количестве 21% по объему)

- воспламенитель – искры или горячие поверхности

Если концентрация горючего в воздухе находится между верхним и нижним пределами воспламенения, и воспламенитель имеет достаточную энергию, может произойти взрыв или пожар. Так в одном пожарно-техническом экспертном заключении по делу о возгорании газобаллонного автомобиля говорится следующее: "взрыв может произойти в замкнутом пространстве при достижении нижнего концентрационного предела 2,3 % (пропана) или 1,8% (бутана)".

верхний и нижний концентрационные пределы воспламенения -

1. соответственно максимальная и минимальная концентрации горючих газов, <...> выше и ниже которых воспламенения и взрыва не произойдет даже при возникновении источника инициирования взрыва.

2. минимальное/максимальное содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при которой возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Невозможность воспламенения горючей смеси при концентрации ниже нижнего предела объясняется малым количеством горючего вещества и избытком воздуха, т.е. горения не получается из-за недостатка горючего вещества. Верхний концентрационный предел распространения пламени характеризуется избытком горючего и малым количеством воздуха, и горения не происходит из-за недостатка воздуха (кислорода), необходимого для окисления горючего вещества. Наиболее оптимальная для горения смесь, в которой горючей компоненты и воздуха ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания, называется стехиометрической.

Чем ниже нижний концентрационный предел и больше концентрационная область распространения пламени, тем большую пожарную опасность они представляют, причем при повышенных температурах и давлениях концентрационные пределы горючести расширяются.

самовоспламенение - явление быстрого нарастания скорости химической реакции, приводящее при определённых внешних условиях (температура, давление) к воспламенению горючей смеси без соприкосновения с пламенем или раскалённым телом. Т емпература самовоспламенения у бензина - 270°С, у пропан-бутана - 465°С, у метана - 540°С.

вспышка - быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов, способных производить работу. Вспышка - воспламенение смеси воздуха с парами жидкости (или твёрдого вещества) без загорания самой жидкости . Вспышка происходит при соприкосновении паровоздушной смеси с пламенем или раскалённым телом, а также при проскакивании электрической искры. К газовоздушным смесям, если газы горючие, понятие вспышки не применяется, поскольку они взрываются, а не вспыхивают.

температура вспышки - наименьшая температура конденсированного вещества, при которой над его поверхностью образуются пары, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания; устойчивое горение при этом не возникает.

температура воспламенения - температура горючего вещества, при которой оно выделяет горючие пары или газы с такой скоростью, что после воспламенения их от источника зажигания возникает устойчивое горение.

р абочая смесь – смесь горючего газа или паров топлива с воздухом, уже поступившая в цилиндр, в отношении, обеспечивающем сгорание ее в рабочем цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Отношение массы воздуха, поступившего в цилиндр, к массе воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива (стехиометрическая смесь), называется коэффициентом избытка воздуха. При значении этого коэффициента, близком к 1,1, смесь сгорает наиболее эффективно. Смесь с меньшим значением коэффициента применяется на форсированных режимах, с большим - на экономичных.

горючая смесь – смесь горючего газа с воздухом до цилиндра двигателя, приготовляется карбюратором (смесителем) вне камеры сгорания.

Здесь следует уточнить, что качество этих смесей практически одинаково, поскольку горючая смесь, поступая в рабочий цилиндр, становится рабочей смесью. Однако энергии, требуемые для их воспламенения, - разные, поскольку разные "среды обитания" (объемы, давления/разрежения и температуры) в цилиндре и в головке блока до цилиндра (место возникновения взрыва-"хлопка", если он случается) и далее, во впускном коллекторе с газовоздушной магистралью. В пределах нахождения горючей смеси температура в головке блока и далее, к смесителю (ближе к воздушныму фильтру) в газовоздушной магистрали неодинакова и значительно падает.

бедная / богатая топливовоздушная смесь – в цилиндры двигателя поступает топливная смесь, в определенной пропорции состоящая из топлива и атмосферного воздуха (кислорода). Если в этой смеси окажется мало топлива и много воздуха, то смесь считается бедной. И наоборот. Бедную смесь гораздо легче поджечь, нежели богатую. При горении нормальной смеси сгорает всё топливо и расходуется весь окислитель. Такая смесь называется "стехиометрической".

Бедная смесь горит быстрее и активнее (охотнее), чем богатая, которая обладает свойством самоингибирования (подавления, торможения) горения.

эжекция - процесс смешения двух каких-либо сред (газа и воздуха и т.п.), в котором одна среда, находясь под давлением (разрежением), воздействует на другую и, увлекая за собою, выталкивает ее в необходимом направлении.

инжектор струйный насос для нагнетания жидкости.

На карбюраторном двигателе дроссельная заслонка регулирует количество поступающей к цилиндру горючей смеси, на инжекторном двигателе с эжекторной газовой системой, где роль карбюратора играет смеситель, при работе двигателя на газе – также. А вот на инжекторном двигателе при работе его на бензине дроссельная заслонка регулирует подачу исключительно воздуха, и уже косвенно, с помощью датчиков и бортового компьютера, меняется подача бензина через форсунки.

"впрыск топлива" - введение топлива в рабочее пространство, например в цилиндр (распределенный или фазированный непосредственный впрыск) или ко впускному клапану цилиндра (распределенный или фазированный впрыск), с помощью источника давления, например насоса (форсунки), действующего непрерывно или циклически.

" хлопушка ", или "антихлоп" – предохранительный клапан, который при "хлопке" не должен пропускать взрывную волну в сторону датчика расхода воздуха и воздушного фильтра, предохраняя их и другие элементы двигателя от разрушения, и обязан сбрасывать избыточное давление от "хлопка" – взрыва; однако взрывная волна, как это будет показано ниже, порой вызывает разрушения, не успев дойти до "хлопушки", или "хлопушка" оказывается неэффективной. Такое бывает, когда горючая смесь попадает (в основном на малых оборотах двигателя или при включении зажигания, когда в силу тех или иных причин заводка производится на газе, скажем, из-за сбоя переключателя "газ-бензин" при включении зажигания) в пространство между смесителем и "хлопушкой" и далее – к воздушному фильтру. Тогда газовоздушная смесь поджигается прокаливаемой нитью аэромассметра.

Строго говоря, "хлопушки" не являются штатным узлом комплекта газобаллонного оборудования. Многие производители ГБО их и не выпускают. Они появились, как паллиатив, когда "газовый карбюратор" (эжекторное ГБО) из-за якобы дешевизны (без учета последствий) стали устанавливать на инжекторные двигатели, что, как следствие, привело к взрывам на двигателях. И что-то надо было делать, спасать положение. Здесь "умники" и реализовали сюжет : "Голь на выдумки хитра".

Поскольку эти "хлопушки" кардинально проблемы не решают, и лишь вводят потребителей в заблуждение, то должны быть КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩЕНЫ. И п роизводители ГБО в сопроводительной документации на свое оборудование должны указывать, к примеру : "Данный комплект ГБО (эжекторного) предназначен исключительно для установки на карбюраторные двигатели автомобилей. На инжекторные двигатели автомобилей установка данного комплекта ГБО недопустима." Это будет и правильно, и солидно. Автор никогда бы не поставил себе ГБО фирмы, которая выпускает еще и "хлопушки", поскольку эта "хлопушка" есть не что иное, как "лапша на уши" автовладельцу. А кто стремится "вешать лапшу" на уши? Правильно – мошенники. А для недоброссовестных установщиков ГБО "хлопушка" бы перестала служить камуфляжем, помогающим уходить от ответственности.

В отношении "хлопушек", или "антихлопов", следует сказать, что ни в одном Российском стандарте по ГБО, ни в ТУ 152-12-008-99, где в п.1.3.1 приводятся все комплектующие ГБО, ни в Технических регламентах нет никаких упоминаний об этих клапанах, следовательно неопределены и методики их расчетов и испытаний, а потому они, по определению, не могут быть сертифицированы ни сами по себе, ни в комплекте ГБО (что требует Законодательство РФ). А поскольку они входят необходимой принадлежностью, или составной частью в комплект ГБО I и II поколений, устанавливаемого на инжекторные двигатели, то и весь комплект не может быть сертифицирован ни на одну машину с инжекторным двигателем (на карбюраторных двигателях "хлопушки" не используются, а потому эжекторное ГБО сертифицируется исключительно для автомобилей с карбюраторными двигателями), а потому и НЕ ПОДЛЕЖИТ УСТАНОВКЕ, естественно, на инжекторный двигатель. Вывод: наличие "хлопушки" на газобаллонном двигателе служит объективным показателем того, что на машине установлено несертифицированное газобаллонное оборудование, и конторы по регистрации ГБО, лишь при одном обнаружении такой детали, не имеют право регистрировать это ГБО, а ГИБДД выдавать талон о прохождении техосмотра.

газовые редукторы-испарители – наиболее сложная и дорогостоящая (не считая баллоннов) составляющая ГБО, непосредственно влияющая на показатели работы двигателя, обеспечивает автоматическое снижение и поддержание на выходе заданного давления газообразного топлива на всех режимах работы двигателя.

смеситель – элемент газобаллонного оборудования, служащий для приготовления газовоздушной смеси определенных пропорций для питания двигателя на разных режимах его работы. На входы смесителя поступает, с одной стороны, атмосферный воздух и, с другой стороны, газ.

Смеситель устанавливается при монтаже ГБО на автомобиле в воздушную магистраль двигателя. Воздушная магистраль после смесителя является уже топливовоздушной магистралью. В нашем случае топливовоздушную магистраль, поскольку в нее поступает смесь газа и воздуха, лучше называть газовоздушной, бензин же подается на бензиновые форсунки, расположенные непосредственно у впускных клапанов. Поступление воздуха в газовоздушную магистраль помимо смесителя не допускается, если это специально не предусматривается его конструкцией, и поэтому следует тщательно подбирать типоразмер смесителя по размерам воздушной магистрали (трубы). Конструкций смесителей существует достаточно много, и их следует подбирать конкретно для каждого двигателя. Что, собственно, требуется и в целом для комплекта ГБО, согласно нормативной документации (при сертификации ГБО). Солидные фирмы-установщики, имеют каталоги западных производителей ГБО, где типы смесителей и других узлов ГБО соотносятся с конкретными моделями машин, также, в основном, западными; газовые смесители, также, обычно рассчитаны на совместную работу с газовым редуктором определенного типа.

Согласно свежей информации именно с этой целью сертификация ГБО на западе будет проводиться по процедурам, принятым в России: на конкретный тип, т.е. марку (модель) автомашины.

дозатор – элемент газобаллонного оборудования, определяющий количество подаваемого на смеситель газа, тем самым задавая соотношение газ/воздух в топливной смеси.

Механические неуправляемые дозаторы в ГБО I поколения регулируются вручную при монтаже ГБО и по ходу его эксплуатации и настраиваются на практически максимальную нагрузку двигателя в угоду динамике машины и в ущерб экологии выхлопа.

Из личного опыта автора : при работе двигателя на газе: если дозатор ГБО I поколения (с другими поколениями ГБО автор не работал) настроить по экологии, на выхлоп, то машина потеряет приемистость, что, порой опасно на дороге; если машине обеспечить нормальный прием (динамику разгона), то выхлоп выйдет за все допустимые пределы; при проведении инструментального техосмотра это может быть выявлено, если будут проверяться на "беговой дорожке" не только эффективность торможения, но и параметры ускорения, приемистости.

На газобаллонных системах II и выше поколений применяются электромеханические дозаторы, управляемые электронными блоками управления (ЭБУ), которые дозируют газ в зависимости от нагрузки на двигатель автомобиля (при наличии ?-зонда – датчика кислорода на выхлопе), приближая топливовоздушную смесь к "стехиометрической"...

форсированный режим работы двигателей - кратковременный режим, при котором двигатели выдают повышенную мощность по сравнению с номинальной. Сам двигатель при этом быстрее изнашивается. Для двигателей на форсаже характерно значительно, в несколько раз большее расходование топлива по сравнению с номиналом. Форсаж двигателя достигается либо конструктивными измениями, либо изменениями соотношения компонентов топлива. Двигатель переходит в форсированный режим при полном открытии дроссельной заслонки.

При смене режимов работы двигатель работает на переходных режимах , поскольку такие процессы, как подача топлива и смесеобразование достаточно инерционны, помимо инерционности самих механизмов.

"принадлежности транспортного средства" - дополнительные устройства, предназначенные для установки на транспортное средство с целью улучшения его потребительских свойств и не предназначенные для обязательной установки на всех экземплярах транспортного средства (одной модели).