Технологии "Системы впрыска газа"


Наравне с выполнением требований экологических норм Евро-4 для коммерческого и легкового автотранспорта для последнего также необходимо снижение среднего уровня выбросов СО2 (соглашение АСЕА). Ключевым моментом является выбор направлений работ в области разработки силовых агрегатов, которые позволят выполнить нормы токсичности и снизить расход топлива, а также использовать альтернативные виды топлив с минимальными затратами при переделках существующих конструкций двигателей.

 

 

Актуальное направление

Бензиновые двигатели обеспечивают низкий уровень токсичности за счёт высокой эффективности систем нейтрализации отработавших газов, но при большом расходе топлива. В настоящее время существует множество технологий, применяемых для снижения их «аппетита» – от регулируемого движения заряда, различных видов управления подъёмом клапанов до систем с расслоённым зарядом на основании технологии непосредственного впрыска бензина, находящихся в стадии разработки.

За последние 10-15 лет наблюдается значительный прогресс в области разработки двигателей для представителей легкового и коммерческого транспорта. Тем не менее дальнейшее развитие двигателестроения в средне- и долгосрочной перспективе представляет серьёзный вызов для автомобильной промышленности. Дело в том, что на поступательные процессы в разработке автомобильных двигателей всех категорий оказывает влияние ряд движущих сил (рис. 1).

Одним из направлений может быть применение газообразных топлив, которые удовлетворяют многим предъявляемым требованиям, хотя их экономичность пока остаётся низкой.

Вот почему некоторые зарубежные автомобилестроители активно проводят исследовательские работы по изучению распределённого впрыска сжиженного нефтяного и других видов газа.

 

Рис. 1. Движущие силы развития двигателестроения

 

Основные элементы и узлы

Система с впрыскиванием газа – новая разработка итальянской фирмы Landl Renzo. Она отличается пониженным расходом газа по сравнению с системами предыдущих поколений. Без особых затруднений её можно смонтировать на автомобили с инжекторными двигателями. Кроме того, при использовании такой системы динамические характеристики автотранспортного средства при работе на газе максимально приближаются к параметрам машины, функционирующей на бензине. По принципу подачи газа IGS наиболее близка к современным бензиновым системам. При постоянном впрыскивании газа в испарённой фазе она обеспечивает эффективную подачу топлива, контролирует смесеобразование и тем самым оптимизирует расход газа на всех эксплуатационных режимах двигателя. Все её элементы адаптированы для совместной работы с современными бензиновыми системами питания. Базой для определения блоком управления точного количества газа, который через распределитель и специальные газовые форсунки подаётся непосредственно к впускному клапану каждого цилиндра, служат частота вращения коленчатого вала и абсолютное давление во впускной трубе.

Предложенная система является «самообучающейся». Иными словами, она отслеживает, запоминает и контролирует различные параметры двигателя без внешних регулировочных устройств.

Электронный блок управления (ЭБУ) 2 (рис. 2) анализирует состав отработавших газов, получая от лямбда-зонда информацию о полноте сгорания газовоздушной смеси. В соответствии с полученными данными он корректирует подачу газа в двигатель. Указанный блок использует также сигнал датчика положения дроссельной заслонки для обогащения смеси на переходных режимах и отключения подачи газа при торможении двигателем. В сферу контроля ЭБУ входят сигналы датчиков абсолютного давления во впускной трубе и частоты вращения коленчатого вала.

 

Рис. 2. Расположение элементов системы впрыскивания газа на автомобиле: 1 – переключатель вида топлива с указателем уровня газа в баллоне; 2 – электронный блок управления; 3 – дозирующий узел; 4 – распределитель; 5 – редуктор-испаритель

 

Получив всю необходимую информацию, ЭБУ определяет требуемую позицию открытия дозирующего узла и положение блокирующего клапана. Дозирующий узел 3 по сигналам ЭБУ открывается на определённую величину, увеличивая количество газа при повышении частоты вращения коленчатого вала. И наоборот, при уменьшении частоты блокирующий клапан устройства уменьшает подачу газа для усиления эффекта торможения двигателем и снижения количества вредных выбросов.

Распределитель 4 подаёт газ в каждый цилиндр двигателя через специальные форсунки, установленные во впускной трубе вблизи впускных клапанов. Редуктор-испаритель 5 оснащён датчиком температуры теплоносителя, определяющим момент переключения питания двигателя с бензина на газ. Мотор всегда пускают и прогревают на бензине, и, как только запрограммированная температура достигнута, ЭБУ переводит двигатель на питание газом.

Последний поступает из баллона в редуктор-испаритель 5, который устанавливает величину давления газа в зависимости от значения разрежения во впускной трубе. Далее газ поступает в дозирующий узел 3, который по сигналу электронного блока управления 2 мгновенно определяет и выдаёт необходимое для двигателя количество газа, поступающего затем к распределителю 4, не только разделяющему поток газа по цилиндрам, но и поддерживающему на постоянном уровне его оптимальное давление в участке системы после дозирующего узла. При увеличении нагрузки на двигатель редуктор увеличивает давление газа на входе в дозирующий узел, чтобы гарантированно обеспечить подачу требуемого на этом режиме объёма газа, в то время как на выходе из дозатора давление остаётся неизменным.

 

Система MEGI

Голландская компания Koltec, объединившись с фирмой Necam, разработала систему впрыска сжиженного нефтяного газа MEGI (Multipoint Electronic Gas Injection). Схема соединений её элементов показана на рис. 3.

В этой системе газ подаётся через форсунки, расположенные в непосредственной близости от впускных клапанов, в отличие от предыдущих систем первого и второго поколений, в которых газ смешивается с воздухом в смесителе, находящемся в воздушном тракте. Таким образом, до минимума снижена возможность нежелательного явления – заполнения впускной трубы и дроссельного узла взрывоопасной газовоздушной смесью, что в системах предыдущих поколений являлось основной причиной «хлопка» при неисправности в системе зажигания.

Система MEGI в отличие от прочих обеспечивает лучшие динамические характеристики автомобиля и пониженный расход газа. Его подача (впрыск) осуществляется в испарённом виде.

Основные достоинства MEGI: выброс вредных веществ не превышает допустимого уровня; отсутствие эффекта «хлопка»; точное дозирование газа; высокие надёжность и экономичность.

Рис. 3. Схема соединений системы MEGI: 1 – электронный блок управления; 2 – диагностический разьём; 3 – переключатель вида топлива; 4 – блок реле; 5 – электрический дозатор с шаговым электродвигателем; 6 – датчик абсолютного давления во впускной трубе; 7 – редуктор-испаритель; 8 – электромагнитный газовый клапан; 9 – блок-распределитель газа; 10 – датчик положения дроссельной заслонки (штатный); 11 – впускная труба; 12 – датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя (штатный); 13 – лямбда-зонд (штатный); 14 – выпускной коллектор; 15 – механические форсунки (инжекторы)

 

Блок-распределитель газа 9, оснащённый дозатором 5 с шаговым электродвигателем, управляется ЭБУ и обеспечивает подачу газа во впускную трубу двигателя через форсунки, установленные непосредственно у впускных клапанов. Для поддержания стехиометрического состава газовоздушной смеси (16:1) по сигналам ЭБУ шаговый электродвигатель дозатора соответствующим образом изменяет проходное сечение его клапана.

Датчик абсолютного давления 6 во впускной трубе предоставляет ЭБУ одну из составляющих информации о расходе воздуха и служит для регулирования блоком угла опережения зажигания по нагрузочной характеристике. Датчик установлен в моторном отсеке и соединён с впускной трубой резиновой трубкой. Он представляет собой вакуумную камеру, одна из стенок которой выполнена в виде упругой мембраны. Мембрана кинематически связана с пьезоэлементом, вырабатывающим электрический потенциал при механическом воздействии. Выходное напряжение датчика изменяется от 4,9 В (при полностью открытой дроссельной заслонке) до 0,3 В (при закрытой заслонке) в зависимости от давления во впускной трубе. При неработающем двигателе ЭБУ по напряжению датчика определяет атмосферное давление и адаптирует параметры регулирования впрыска к конкретной высоте над уровнем моря. Значения атмосферного давления, хранящиеся в памяти, периодически обновляются при равномерном движении автомобиля и во время полного открытия дроссельной заслонки. Редуктор-испаритель 7 служит для снижения давления газа до необходимого значения и для преобразования его жидкой фазы в газообразную. Надёжное испарение обеспечивается за счёт обогрева редуктора жидкостью из системы охлаждения двигателя (теплоносителем), независимо от положения клапана термостата последнего.

Электромагнитный газовый клапан 8 объединён с фильтром тонкой очистки. Необходимость замены фильтрующего элемента, как правило после 30 тыс. км пробега, диктуется степенью его загрязнения.

Механическая форсунка 15 (инжектор) подаёт газ во впускную трубу двигателя как можно ближе к впускному клапану. Форсунка диафрагменного типа работает в пассивном режиме, т. е. не управляется ЭБУ. Она поддерживает избыточное давление в магистрали подвода газа от блока-распределителя к форсунке.

Сжиженный нефтяной газ под давлением 1,6 МПа из баллона по газопроводу высокого давления поступает в электромагнитный запорный газовый клапан 8 с фильтром, установленный на двухступенчатом редукторе-испарителе 7. Затем газ попадает в первую ступень редуктора. В полости первой ступени происходит снижение давления газа до 0,2 МПа с одновременным его переходом из жидкого состояния в парообразное. В полости второй ступени завершается переход газа в парообразное состояние, и на выходе из неё создаётся рабочее давление. Для обеспечения испарения газа и компенсации при этом тепловых потерь в редуктор подаётся жидкость из системы охлаждения двигателя, циркулирующая в специальной полости, выполненной в виде теплообменника.

Блок-распределитель газа 9 с помощью дозатора 5, оснащённого шаговым электродвигателем, подаёт к каждому цилиндру двигателя равные порции испарённого газа. Через механические форсунки (инжекторы) 15 газ поступает во впускную трубу 11, из которой попадает непосредственно в зону перед впускными клапанами каждого цилиндра.

Пуск двигателя автоматически происходит на бензине, даже если переключатель вида топлива 3 находится в положении «газ». Затем система плавно переводится на питание газом.

В электронный блок управления (ЭБУ) 1 от штатных датчиков системы управления двигателем поступает следующая информация:

- частота вращения коленчатого вала двигателя (датчик 12);

- положение дроссельной заслонки (датчик 10);

- концентрация кислорода в отработавших газах (датчик 13).

Абсолютное давление во впускной трубе и температуру жидкости, поступающей в редуктор-испаритель, контролируют датчик 6 и датчик температуры, установленный на редукторе. ЭБУ считывает информацию от них и в соответствии с поступающими сигналами приводит в действие исполнительный механизм (шаговый электродвигатель), управляющий дозатором. В результате такой коррекции двигатель при любом режиме работает на газовоздушной смеси оптимального состава, что не только повышает топливную экономичность, но и снижает количество токсичных веществ в отработавших газах.

ЭБУ может функционировать в двух основных режимах: без обратной связи и с её наличием. В первом из них электронный блок рассчитывает величину проходного отверстия дозатора на основе главных параметров - частоты вращения коленчатого вала двигателя и давления во впускной трубе. В зависимости от них на диаграмме (рис. 4) показан диапазон работы шагового электродвигателя дозатора, составляющий 256 шагов, что соответствует 100 % открытия проходного сечения отверстия дозатора. За нулевое положение принято полностью закрытое отверстие для прохода газа из редуктора через дозатор.

Давлением газа, подаваемого из редуктора в блок-распределитель в зависимости от нагрузки, управляют вакуумным способом - прямым соединением редуктора с впускной трубой. При увеличении нагрузки давление газа повышается, и в двигатель поступает большее количество газа даже при неполном открытии дозатора.

Во втором режиме ЭБУ начинает работать с обратной связью после прогрева лямбда-зонда 13 (рис. 3) до температуры 300-350 0С. При этом подача газа дозируется и с учётом состава отработавших газов.

В ЭБУ встроена диагностическая система. При возникновении неисправности в газовой системе или выходе из строя какого-либо датчика загорается контрольная лампа на блоке, а код ошибки заносится в его память. Информацию о неисправности можно получить при помощи специального тестера через диагностический разъём 2 или определить её вид по миганию индикатора в переключателе вида топлива 3. Для каждой неисправности существует свой код, который выдаётся в виде различных комбинаций погашенного и зажжённого состояний индикатора.

 

Юрий ЯРКИН,

доцент МГТУ «МАМИ»