Описано электромагнитное устройство дозировки газа в двигатель внутреннего сгорания, работающее без трения. Дозировка основана на измерении расхода газа. Показано, что устройство может оказаться недорогой и надежной современной альтернативой устройству типа «редуктор+смеситель».

Ассортимент автомобильных газобаллонных систем (ГБС) в настоящее время очень широк: от простейших систем с газовыми редукторами до систем с дискретным дозированием газа. Решающим аргументом для потребителя в пользу газификации автомобиля является не экологичность, а факт дотирования газового топлива. Поэтому потребитель выбирает простейшие дешевые ГБС, позволяющие экономить на топливе, но эксплуатируемые, как правило, в ненастроенном состоянии [1], или настроенные на комфортную езду, что чаще всего означает наличие «некомфортных» выбросов.

Основным элементом ГБС является устройство дозировки газа в двигатель (УДГ), отвечающее за качество топливной смеси.

Наиболее популярны сейчас ГБС с УДГ типа «редуктор + смеситель», имеющие лучшее соотношение качества и цены, но самые нестабильные из-за большого количества мембран и подвижных частей. В зарубежных образцах давно и успешно используется стабилизация состава топливной смеси путем регулирования выходного сечения редуктора с помощью бортового компьютера по сигналу штатного датчика избыточного кислорода бензиновой системы питания, однако соотношение качества и цены при этом сильно страдает и возрастает средний расход газа, поскольку смесь всегда стехиометрическая.

Главным же недостатком УДГ типа «редуктор+смеситель» мы считаем зависимость его параметров от поведения давления на выходе - в месте установки смесителя. Последним словом в УДГ являются устройства дискретного дозирования газа - «симметричный ответ» на достижения создателей жидкотопливных инжекторных систем. Такие особенности этих УДГ, как наличие сухого трения и узкий динамический диапазон исполнительных устройств [2], едва ли можно отнести к их достоинствам.

Мы сочли актуальным создание стабильного, надежного и универсального УДГ, по простоте и стоимости стоящего в одном ряду с УДГ типа «редуктор+смеситель».

Решались следующие задачи.

1.1. Устранить влияние на работу УДГ колебаний давления на входе и на выходе.

1.2. Исключить смеситель, как элемент, задающий качество топливной смеси.

1.3. Обеспечить управление расходом топлива путем подачи цифрового кода на вход УДГ.

1.4. Свести к минимуму количество подвижных частей, мембран и пружин.

1.5. В используемых подвижных частях исключить трение.

1.6. Предельно снизить требования к качеству обработки деталей при изготовлении.

2.1. Мы исходили из того, что дозирование должно быть основано на измерении расхода газа. Один из способов измерения расхода - измерение падения давления на постоянном сечении.

Работа УДГ заключается в управлении расходом газа, протекающего сквозь отверстие постоянного сечения, путем поддержания рассчетного значения падения давления на этом отверстии. Таким образом, в УДГ совмещены дозирующее устройство и расходомер газа.

Очевидно, что одним только выбором такой схемы решаются задачи 1.1 и 1.2. Следовательно, обеспечивается универсальность УДГ по отношению двигателю: например, одно и то же УДГ может дозировать газ в двигатель с турбонаддувом или без турбонаддува, а также при вводе газа в двигатель до или после дроссельной заслонки.

В 1998г. нами изготовлен опытный образец описанного УДГ.

Детали ДГЭ изготовлены на вертикальном фрезерном и сверлильном станках без дополнительной обработки поверхностей.

Детали ИП изготовлены с использованием координатно-расточного, токарного и вертикального фрезерного станков также без дополнительной обработки поверхностей.

В качестве ЖГ использован узел регулировки холостого хода от редуктора производства Новогрудского завода газовой аппаратуры, проходное сечение которого было увеличено до 5кв.мм.

УДГ было установлено на автомобиле ВАЗ-2108 с карбюраторным двигателем объемом 1.3л, год выпуска - 1989, пробег - 270 тыс. км.

В качестве топлива был выбран СНГ, поскольку нас очень интересовали работа УДГ без РВД (одна подвижная деталь, одна листовая пружина и ни одной мембраны!), а также реакция УДГ на такие особенности СНГ, как грязь и конденсат.

Дополнительно на автомобиль были установлены:

- баллон для СНГ, бензиновый и газовый электромагнитные клапаны, все - производства Новогрудского завода газовой аппаратуры;

- датчик избыточного кислорода;

- газоанализатор ГАИ-1;

- разработанная нами микроконтроллерная система сбора и обработки данных (МС).

МС обеспечивала:

- измерение оборотов двигателя, давлений во впускном коллекторе и на входе ДГЭ, а также температуры ИП и сигнала датчика избыточного кислорода;

- статистическую обработку результатов измерений;

- рассчет расхода газа и передачу кода в ЭБУ;

- отображение данных памяти МС и памяти ЭБУ;

- пуск двигателя на газе, ограничение максимальных оборотов, отключение подачи газа на принудительном холостом ходе и при остановленном двигателе, а также переключение топлива.

Для рассчета расхода газа использовались давление во впускном коллекторе и обороты двигателя.

Целью испытаний были:

- проверка работоспособности простейшего варианта УДГ (без автоматической коррекции состава топливной смеси), предназначенного для установки на дешевые массовые автомобили, в которых нет штатных газоанализаторов;

- уточнение значений параметров функции, связывающей рассчетный расход газа с падением давления на ЖГ;

- проверка влияния на работу УДГ давлений на входе и выходе.

4.1. УДГ было настроено на максимальное падение давления на ЖГ, равное 0.35МПа. В этом случае при использовании КПГ давление на выходе УДГ может быть в диапазоне 0 - 0.15МПа.

4.2. Перед испытаниями было установлено с использованием прибора ГАИ-1 соответствие между сигналом датчика избыточного кислорода и содержанием СО в выхлопных газах в пределах 0.5% - 2.5% во всех запланированных режимах эксплуатации автомобиля. Во время испытаний содержание СО контролировалось по сигналу датчика, а соответствие периодически проверялось. Содержание других компонентов в выхлопных газах не контролировалось.

4.3. Влияние на работу УДГ давления на выходе проверялось вводом газа в двигатель как перед дроссельной заслонкой карбюратора, так и после нее, через штуцер, установленный на штатной прокладке между карбюратором и впускным коллектором.

За время испытаний автомобиль прошел на газе 18 тыс.км при температуре забортного воздуха от минус 10 до +30 градусов.

5.1. Работа двигателя наблюдалась при двух вариантах настройки УДГ:

-«экономичном» - бедная смесь, содержание СО в выхлопных газах не более 0.5%, обогащение до 1.5% СО при ускорении;

-«нормальном» - бедная смесь, СО менее 0.5%, обогащение до 1.5% СО при ускорении и при больших нагрузках.

Настройка заключалась в изменении трех параметров функции, связывающей расход газа с падением давления на ЖГ.

Двигатель устойчиво работал в обоих вариантах настройки во всех режимах при температуре ИП от +50 до +90 градусов, однако в «экономичном» варианте ощущалась заметная потеря мощности, особенно при горячем ИП и холодном забортном воздухе.

При движении на скорости от 100 км/час до 120 км/час на высшей передаче с «нормальным» вариантом настройки УДГ динамика автомобиля была лучше, чем на бензине, однако потеря средней мощности все равно ощущалась.

На малых оборотах двигатель «тянул» лучше, чем на бензине, что, однако, могло быть связано с лучшей компрессией.

Запуск холодного двигателя на газовой фазе СНГ проблем не вызывал.

Средний расход СНГ составил 8л на 100км. При беспокойной езде в городе расход достигал 11л на 100км.

5.2. После смены точки ввода газа в двигатель (см. 4.3) требовалась незначительная коррекция содержания СО в выхлопных газах на холостом ходе.

Субъективно при вводе газа после дроссельной заслонки наблюдалась более острая реакция на нажатие педали газа и более устойчивая работа двигателя при переходе к холостому ходу через режим принудительного холостого хода.

5.3. Перенастройка УДГ на максимальное падение давления на ЖГ менее 0.3МПа приводила к снижению стабильности холостого хода из-за роста относительной погрешности поддержания минимального падения давления.

5.4. Разборки ДГЭ через 5, 10 и 15 тыс. км пробега, а также в конце испытаний не выявили изменений деталей УДГ.

Регулировка УДГ после разборок и сборок не требовалась.

6.1. Устройство дозировки газа в двигатель путем поддержания рассчетного значения падения давления на жиклере постоянного сечения может оказаться простой, надежной, универсальной и недорогой альтернативой устройству типа «редуктор+смеситель».

6.2. Описанное устройство больше подходит для КПГ и СПГ из-за присущего ограничения снизу максимального падения давления на жиклере. При использовании СНГ следует искать пути повышения точности работы дозатора, делать устройство двухжиклерным или применять обогрев баллона для повышения давления.

6.3. В описанное устройство необходимо добавить функцию автоматической коррекции расхода газа по плотности газа (температуре испарителя-подогревателя).

6.4. Могла бы представить интерес попытка доработки конструкции дозатора газа электромагнитного до рабочего диапазона входного давления 0.5МПа-20МПа.

ГБС  - автомобильная газобаллонная система;
ДГЭ  - дозатор газа электромагнитный;
ДДД  - датчик давления дифференциальный;
ЖГ   - жиклер газовый;
ИП   - испаритель-подогеватель;
КПГ  - компримированный природный газ;
МС   - микроконтроллерная система;
РВД  - редуктор высокого давления;
СНГ  - сжиженный нефтяной газ;
СПГ  - сжиженный природный газ;
УДГ  - устройство дозировки газа;
ЭБУ  - электронный блок управления.

1. П.С. Громыко, А.Н. Савушкин. Инжекторные газобаллонные системы автотранспортных средств. Газовая промышленность, 1997, №11, с. 71-72.

2. И.М. Коростышевский. Двухтопливная система для ДВС. Газовая промышленность, 1999, №10, с. 35.