Автомобильные газовые топливные системы фирмы «Сага»

Автомобильные газовые топливные системы фирмы «САГА»

В.А. Щербинин, главный конструктор НПФ «САГА»

Научно-производственной фирмой «САГА» совместно с ОАО «ПАО «Ин-кар» разработаны и выпускаются серийно автомобильные газовые топливные системы (АГТС) «САГА-6» и «САГА-7» для работы двигателей внутреннего сгорания на СУГ, КПГ, СПГ, диметиловом эфире, водороде с рабочим давлением от 200 мм вод. ст. до 320 кгс/см3.

Серийное производство АГТС

«САГА-6» и «САГА-7» было организовано в 1992 г. на ОАО «Пермское агрегатное объединение «Инкар», имеющем многолетний опыт по выпуску различных топливных систем для авиационных двигателей. В объединении созданы производственные мощности для обеспечения выпуска АГТС в количестве 50 тыс. комплектов в год, а их качество соответствует требованиям международного стандарта ИСО 9001. Получен сертификат соответствия РОСС Ри.ИС42.К00129.

При разработке систем было обращено внимание на обеспечение безопасности и простоты эксплуатации автотранспортных средств, ра-

ботающих на альтернативных видах моторного топлива, особенно пожарной безопасности.

Особое внимание уделялось выполнению требований Правил № 110 ЕЭК ООН и отечественных нормативных документов по обеспечению безопасности эксплуатации газобаллонных автомобилей. Это актуально при эксплуатации автобусов, микроавтобусов и легковых автомобилей, в которых перевозятся пассажиры.

Использование на автомобилях в качестве моторного топлива КПГ или сжиженного нефтяного газа приводит к необходимости появления дополнительного оборудования и новым видам пожарной опасности.

70

60

50

40

30

20

10

0

Пуск двигателя на газе при отрицательной температуре

Неисправность оборудования передвижной автозаправочной газовой станции,

Негерметичность газовой топливной системы

Неисправность при переключении с "аза на бензин

Неисправность при переключении с Зензина на газ

Неисправность газового редуктора

Неисправность газового клапана Неисправность бензинового клапана

Нарушение герметичности топливной системы вследствие механического повреждения

Нарушение правил ТБ при эксплуатации или ремонте ГБ оборудования

Утечка газа при заправке ГБА

Причина не установлена

ДТП

Рис. 1. Статистические данные по количеству пожаров на ГБА в 2000-2004 гг. в зависимости от различных неисправностей,%

Академией ГПС МЧС совместно с ФГУ ВНИИПО МЧС РФ был организован сбор данных по России о пожарах, произошедших на газобаллонных автомобилях (ГБА). В результате выявлено 212 пожаров на ГБА, произошедших в течение 2000-2004 гг., и проведен их анализ со следующим выводом: основной причиной пожаров на ГБА является негерметичность газовой топливной системы (рис. 1).

Газобаллонное оборудование, кроме основных элементов, может также включать и другие элементы, необходимые для обеспечения безопасного и эффективного использования автомобиля. Например, в состав АГТС «САГА-7» входят также сигнализатор утечки газа (СУГ-3) и устройство, блокирующее запуск двигателя при неотключенном заправочном шланге АГНКС.

Проблема обеспечения безопасности, надежности и эффективной эксплуатации автотранспорта, работающего на газовом топливе, решена следующим образом:

1. Разработаны элементы системы «САГА-7» с рабочим давлением газа 200-320 кгс/м2, скомпонованные в крупные агрегаты, в которых конструктивно исключен выход газа через уплотнения в замкнутые пространства автомобиля и обеспечен отвод газа от мест вероятной его утечки непосредственно в атмосферу за пределы автомобиля, а водитель оповещается о возникшей утечке газа сигнализатором утечки газа СУГ-3 звуковым и световым сигналом с указанием места утечки.

Такой автоматический контроль за утечкой газа ведется постоянно при работе двигателя автомобиля или при автономной подаче питания на сигнализатор утечки газа СУГ-3. Возможна также передача информации об утечке газа на автомобиле

азобаллонное оборудование автомобилей I

10 2 12 1 11 8 5 9 5

Рис. 2. Баллонный вентиль:

I - основные уплотнения; 2 - уплотнения дренажа; 3 - каналы дренажа; 4 - дренажное отверстие; 5 - канал входа-выхода газа; 6 - предохранительный клапан по температуре; 7 - скоростной клапан; 8 - корпус; 9 - штуцер входа-выхода газа; 10 - рукоятка вентиля;

II - клапан;12 - резьбовая втулка

при его стоянке или обслуживании в автопарке к дежурному диспетчеру по радиолинии, аналогично пожарной сигнализации.

При наличии автоматической системы контроля за утечкой газа в арматуре, узлах и разъемных соединениях упрощается техническое обслуживание автомобилей, работающих на природном газе, и возможно снижение требований к помещениям автопарков, так как указанные конструктивные особенности позволяют эксплуатировать газобаллонные автомобили до момента возникновения неисправности (утечки газа) без периодических традиционных методов проверки путем омыливания более 100 мест соединений в элементах системы и трубопроводов.

В России и за рубежом ранее применялись аналогичные методы обеспечения безопасности, но не нашли широкого распространения по трем причинам: ложные срабатывания; сложность аппаратуры и высокая цена; отсутствие указания места утечки.

2. Резиновые уплотнительные кольца в элементах системы заменены на латунные, герметичность в соединениях обеспечивается на весь эксплуатационный период.

3. Исключено попадание газа в систему охлаждения двигателя.

4. При повреждении диафрагмы газоредуцирующего устройства газ не попадает в моторный отсек.

5. Магистрали газа выполнены трубками из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, бесшовными, по ГОСТ 9941-81, обеспечивают многократное соединение и разъединение.

6. В заправочном элементе системы имеется устройство блокировки запуска двигателя, если заправочный шланг АГНКС не отключен от заправочного устройства автомобиля.

Особенности конструкторских решений АГТС «САГА-7»

Для использования КПГ на автотранспорте была изготовлена АГТС «САГА-7», имеющая в своем основном комплекте: газовый баллон (баллоны); баллонный вентиль (рис. 2); магистральный вентиль; заправочное устройство; газоредуцирующее устройство; электромагнитный клапан высокого давления ЭМК ВД (рис. 3).

Для исключения выхода газа через уплотнения элементов системы «САГА-7» в замкнутые пространства автомобиля (отсек двигателя, пассажирский салон, багажное отделение) и отвода газа от мест вероятной утечки в конструкции элементов (рис. 2, 3) имеются основные уплотнения 1, уплотнения дренажа 2, каналы дренажа 3, отверстия дренажа или отводящий патрубок дренажа 4.

В случае утечки газа через основные уплотнения газ не выходит в атмосферу, а задерживается уплотнениями дренажа, направляется в каналы дренажа, отверстия или патрубки дренажа, затем по соединительным шлангам - в общую герметичную систему дренажа к датчикам СУГ-3, в атмосферу или систему питания двигателя воздухом (рис. 5).

Рис. 3. Электромагнитный клапан высокого давления (ЭМК ВД): 1 - основные уплотнения; 2 - уплотнения дренажа; 3 - каналы дренажа; 4 - отводящий патрубок дренажа; 5 - штуцер входа газа; 6 - пробка фильтра; 7 - штуцер выхода газа; 8 - корпус; 9 - электромагнит; 10 - клапан; 11 - седло клапана; 12 - манометр; 13 - фильтр

Сигнализатор утечки газа СУГ-

3 (рис. 4) - электронное устройство, которое состоит из блока сигнализации и управления ЭП-021 и двух датчиков утечки ЭП-022, позволяет водителю проводить визуальный и звуковой контроль за наличием или отсутствием утечки газа в автомобильной газотопливной системе, а также выявлять неисправности электронного устройства в реальном времени.

Блок сигнализации имеет:

два индикатора «Б» и «К» (двухцветные светодиоды) для сигнализации об утечке газа, а также калибровки и самодиагностики;

звуковую сигнализацию;

переключатель для калибровки и отключения звукового сигнала тревоги.

После подачи питания на СУГ-3 ведется постоянный контроль встроенной системой диагностики исправ-

ности системы сигнализации - мигают светодиоды и звучит звуковой сигнал, после чего система переходит в один из режимов работы - 1-4-й:

1. Нормальный режим - индикатор светится зеленым светом: утечки газа нет; сигнализация исправна.

2. Утечка газа - индикатор мигает красным светом, включается прерывистый звуковой сигнал.

3. Обрыв одного из проводов между блоком сигнализации и датчиком утечки или выход из строя датчика утечки - индикатор мигает попеременно зеленым и красным светом, включается прерывистый звуковой сигнал.

4. Короткое замыкание проводов датчика на «массу» или между собой - индикатор светится красным светом постоянно, включается прерывистый звуковой сигнал.

Калибровка СУГ-3 выполняется автоматически программой блока

12 3 4

Рис. 5. Монтажная схема АГТС «САГА-7 ИКАРУС»: 1 - передняя кассета 5 баллонов; 2 - тройники дренажа заглушки баллонов; 3 - рукав дренажа; 4 - задняя кассета трех баллонов; 5 - маневровый баллон; 6 - баллонные вентили; 7 - стальная труба между крышей и полом автобуса; 8 - гофрированный рукав; 9 - трубка высокого давления; ЗУ-1, ЗУ-2 - заправочные устройства; ВМ-1, ВМ-2, ВМ-3 - магистральные вентили; ЭМК ВД - электромагнитный клапан высокого давления; СУ-1, СУ-2, СУ-3, СУ-4 - сборники утечек газа; ДУ-1, ДУ-2, ДУ-3, ДУ-4 - датчики утечек газа; ЭМК - электромагнитный клапан двигателя

азобаллонное оборудование автомобилей I

Рис. 6. Электрическая схема сигнализации об утечке газа и блокировке запуска двигателя АГТС «САГА-7 ИКАРУС»

сигнализации ЭП-021 без эталонного газа. После подачи питания на СУГ-3 для выполнения калибровки необходимо переводить переключатель из положения «включено» в положение «выключено» и обратно с частотой один раз в секунду до тех пор, пока индикаторы не начнут мигать зеленым светом, что свидетельствует о включении режима калибровки. Через 10-60 с индикаторы перейдут на свечение ровным зеленым светом - калибровка закончена.

Монтажная схема АГТС «САГА-7 ИКАРУС» (рис. 5) выполнена таким образом, чтобы исключить попадание в замкнутые пространства автобуса возможных утечек газа:

трубки высокого давления 9, соединяющие элементы системы «САГА-7», размещены внутри гофрированных рукавов 8, которые крепятся с помощью хомутов к элементам системы «САГА-7»;

рукава дренажа (соединительные шланги) 3 через сборники утечек (СУ-1, СУ-2, СУ-3, СУ-4) соединены с гофрированными рукавами, образуя с элементами системы «САГА-7» вентиляционный канал - общую герметичную систему дренажа, которая обеспечивает отвод газа утечки за пределы автобуса,

датчики утечки размещены в сборниках утечек:

- СУ-1 (датчик ДУ1) - контроль утечек арматуры пяти баллонов передней кассеты 1;

- СУ-2 (датчик ДУ2) - контроль утечек арматуры трех баллонов задней кассеты 4;

- СУ-3 (датчик ДУ3) - контроль утечек элементов системы «САГА-7» в моторном отсеке;

- СУ-4 (датчик ДУ4) - контроль утечек редуктора высокого давления газового отопителя.

Электрическая схема сигнализации об утечке газа и блокировке запуска двигателя АГТС «САГА-7 ИКАРУС» (рис. 6).

На передней панели водителя установлены два СУГ-3. На индикаторах СУГ-3 (четырех светодиодах) отображаются режимы работы, самодиагностики и калибровки сигнализаторов утечки газа.

Блокировка запуска двигателя необходима для предотвращения обрыва заправочного шланга АГНКС. Во время заправки газом заглушка заправочного устройства автобуса вынута.

В заглушке имеется постоянный магнит, который взаимодействует с герконом. При удалении магнита

контакты геркона замыкаются и блокируют запуск двигателя.

После окончания заправки заправочный шланг вынимается из заправочного устройства автобуса и устанавливается заглушка. Двигатель можно запускать, проверив отсутствие утечки газа по СУГ-3.

Расчет эффективности системы сигнализации утечки газа

и системы автоматического контроля воздушной среды (САК) с установкой датчиков довзрывных концентраций в салоне автобуса Икарус-280 1. Определение количества газа утечки, поступающего в дренажные полости и к датчикам АГТС «САГА-7», необходимого для срабатывания СУГ-3 автобуса Икарус-280.

Размеры дренажных каналов в элементах АГТС «САГА-7» и рукавов дренажа: длина - L1 = 15 м, внутренний диаметр - Dy1 = 0,01 м; размеры дренажных гофрированных рукавов: длина - L2 = 20 м, внутренний диаметр - Dy2 = 0,032 м; общий объем дренажных полостей (V = 0,02 м3) рассчитывается по формуле:

Согласно п. 8.3.7. РД 3112199-106998 система автоматического контроля воздушной среды должна срабатывать при достижении в помещениях концентрации природного газа (по метану), составляющей 20% от нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР).

НКПР для метана - 5,28% объема, а 20% от этого - 1,056% объема.

Количество газа утечки, поступающего в дренажные полости АГТС «САГА-7», необходимого для срабатывания СУГ-3 (V1 = 0,0002 м3), рассчитывается по формуле:

^То^)-1'05607006"

Учитывая ничтожно малый объем газа (0,0002 м3), необходимого для срабатывания СУГ-3, и изоляцию объема дренажных шлангов, каналов и датчиков от внешней среды, при разработке СУГ-3 принято решение о выдаче сигнала об утечке газа при достижении концентрации метана 10-15% от общего объема дренажных полостей. Данное решение обосновано необходимостью увеличить надежность датчиков, фиксирующих утечку газа, уменьшить их стоимость и автоматизировать настройку СУГ-3 без применения эталонных газов.

В этом случае в дренажные полости АГТС «САГА-7» поступит газ, объемом V2 = 0,002-0,003 м3, при котором СУГ-3 выдает сигнал об утечке газа, объем которого рассчитываются по формуле:

У2 = Уг( 10-15%) .

2. Определение количества газа утечки, поступающего в салон автобуса Икарус-280 и необходимого для срабатывания САК при установке датчиков внутри салона.

Размеры салона: длина L = 16 м; ширина Ш = 2,3 м; высота Н = 2 м; объем салона V3 = 74 м3.

Количество газа утечки, поступающего в салон автобуса Икарус-280, необходимого для срабатывания САК V=0,8 м3), рассчитывается по формуле:

Мт^Ь05607006-

3. Сравнение эффективности СУГ-3 и САК.

Для срабатывания САК необходим объем газа утечки V4 = 0,8 м3, а для срабатывания СУГ-3 - У2 = 0,002-0,003 м3.

Эффективность (Э) СУГ-3 выше, чем САК, в 270-400 раз, рассчитывается по формуле:

Кроме того, система сигнализации утечки газа (СУГ-3) исключает попадание газа утечки в салон, багажное отделение и моторный отсек автобуса Икарус-280, а также ее срабатывание не зависит от внешних условий (рассеивания ветром, загазованности воздушной среды). СУГ-3 имеет встроенную систему самодиагностики - при отказе выдается информация об отказе.

Сигналы об утечке газа, исправности или неисправности СУГ-3 можно передавать диспетчеру автопарка по радиолинии аналогично пожарной сигнализации.

Применение автомобильных газовых топливных систем «САГА-6» и «САГА-7» на автотранспорте После проведения 41-м автокомбинатом (г. Москва) лабораторно-дорожных и эксплуатационных испытаний 150 грузовых автомобилей ГАЗ-3302, ЗИЛ-433, ЗИЛ-5301 «Бычок», оборудованных АГТС «САГА-7», в предложениях ЗАО «Мосавтопрогресс» по повышению безопасности эксплуатации газобаллонных автомобилей, работающих на КПГ, рекомендовано: «Использовать устройства, обеспечивающие отвод газа от места его протечки непосредственно в атмосферу (за кабину автомобиля) и информирующие водителя о факте и месте протечки газа, аналогичные устройству «НПФ «САГА».

На автобусах ЛиАЗ и Икарус, работающих на КПГ, для питания двигателя установлены АГТС «САГА-7 ЛиАЗ» и АГТС «САГА-7 Икарус», позволяющие

хранить, заправлять, распределять газовое топливо под высоким давлением - 200 кгс/см2, отводить утечку газа за пределы автобусов и автоматически ее контролировать.

В 11-м автобусном парке ГУП «Мосгортранс» эксплуатируются с 2005 г. 50 газовых автобусов Икарус 280.33Mnr(G10) и 40 газовых автобусов ЛиАЗ-52937 (525657, 62127).

Общий пробег составил более 11 млн. км, средняя наработка на отказ АГТС составила 150 тыс. км.

По заданию ГУП «Мосгортранс» для обеспечения эффективной и безопасной эксплуатации данных автобусов Московский автомобильно-дорожный институт (ГТУ) разработал «Руководство по эксплуатации газового оборудования для работы на компримированном природном газе». В руководстве даются сведения для решения организационных, технических, технологических задач, возникающих при внедрении и эксплуатации газовых автобусов Икарус-280 с двигателем RABA G-10 и ЛиАЗ -5256 с газовым двигателем Cummins, а также практического применения особенностей конструкторских решений газовой системы питания автобусов АГТС «САГА-7 ИКАРУС» и АГТС «САГА-7 ЛИАЗ».

Автобусный завод ООО «Ликинс-кий автобус» серийно выпустил 300 газовых автобусов семейства ЛиАЗ, которые эксплуатируются в Тольятти, Волгограде, Санкт-Петербурге.

Автомобильные заводы и научно-исследовательские институты, занимающиеся переводом двигателей внутреннего сгорания на альтернативное топливо, проявили интерес к АГТС «САГА-6» и «САГА-7», с ними ведутся работы по внедрению созданной аппаратуры на транспорте:

в АО «АвтоВАЗ» - создание модификации автомобиля, работающего на бензине или КПГ, а в перспективе на водороде;

в АМО «ЗИЛ» выполнена программа совместных работ АМО «ЗИЛ», ОАО «ПАО «Инкар» и ООО «НПФ «САГА» по адаптации АГТС «САГА-6» и

зобаллонное оборудование автомобилей

АГТС «САГА-7» для переоборудования автомобилей ЗИЛ в газобаллонные модификации;

в ОАО «КамАЗ» проводятся совместные работы по созданию комплекта АГТС «САГА-7 КамАЗ» для установки на грузовые автомобили и автобусы НефАЗ с газовым двигателем КамАЗ 820.53-260; разработан двухступенчатый редуктор высокого давления со стабильным выходным давлением (Рвых = 3 кгс/см2) для двигателей большой мощности, в которых осуществляется впрыск природного газа;

в НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ» (г. Дмитров) проводятся испытания конвертированного дизельного двигателя ЯМЗ-238 с распределенным впрыском газа (метана) с АГТС «САГА-7»;

в ООО «ВНИИГАЗ» (г. Москва) совместно с лабораторией «Использование газа на транспорте» выполнены работы по адаптации АГТС «САГА-7» для работы дизельных двигателей на метане.

На базе дизельного двигателя РАБА-МАН Д-10 создан двигатель, работающий на метане с АГТС «САГА-7», который установлен на сочлененный городской автобус Икарус-280, и проведены в течение трех лет городские испытания с положительным результатом.

Проведена конвертация дизельного двигателя в газовый автомобиля ЗИЛ-5301 «Бычок», на автомобиль устанавливается АГТС «САГА-7 Б»; автомобили ЗИЛ-5301 «Бычок» эксплуатируются в Автокомбинате №41;

в НАТИ (г. Москва) выполнена программа совместных работ ООО «НПФ «САГА», ОАО «ПАО «Инкар» и НАТИ по созданию газобаллонной модификации автомобиля ЗИЛ-5301 «Бычок» для работы на КПГ;

в НПО «Гелиймаш» (г. Москва) выполняются совместные работы по применению сжиженного природного газа (СПГ) на автомобильном транспорте.

Получен сертификат соответствия РОСС RU.МТ.25.В04790 на комплект ГБО АГТС «Гелий-САГА» на автомобили ГАЗ-3302, работающие на СПГ;

в ГУП «Научно-исследовательский институт двигателей» (НИАТ) завершена разработка грузовика ЗИЛ-5301 «Бычок», работающего на диметиловом эфире (ДМЭ) и дизельном топливе, проведены эксплуатационные испытания 10 автомобилей с положительными результатами;

в МГТУ им. Баумана завершена работа и проведены в НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ» (г. Дмитров) испытания автомобиля ЗИЛ-47303А с системой питания бинарным топливом (дизельное топливо + диметиловый эфир). Проведены эксплуатационные испытания 10 автомобилей с положительными результатами;

в ЗАО «МНК-Газозаправка» (Московская нефтяная компания) решаются вопросы применения АГТС «САГА-7» с рабочим давлением метана 320 кгс/см2 на легковых автомобилях для увеличения пробега;

в ОАО «Группа Автолайн» произведен монтаж АГТС «САГА-6» на 300 автомобилях ГАЗ-3221 группы компаний «Автолайн» - лидера в сфере маршрутных автоперевозок в Москве.

Заключение

1. В соответствие с требованиями Правил № 110 ЕЭК ООН все элементы системы КПГ должны иметь газонепроницаемый кожух. АГТС «САГА-7» по конструкции элементов и монтажу на автотранспортных средствах полностью отвечает данным требованиям.

2. Применение системы сигнализации утечки газа определено Руководящими документами РД 31121991069-98 (п. 4.2) и РД 31 12199-1095-03 (п. 5.1).

3. Установленная на ГБА система сигнализации утечки газа СУГ-3 позволяет в реальном времени фиксировать наличие или отсутствие утечки газа, контролировать свою исправность при работающем двигателе и при выполнении технического обслуживания.

4. Проверка герметичности более 100 вероятных точек утечки газа в ГБО затруднена в следующих случаях: течеискателем при ветреной погоде,

мыльными растворами при отрицательной температуре.

5. Предприятия (автовладельцы), имеющие не более трех ГБА на КПГ без системы сигнализации утечки газа в составе ГБО, не смогут организовать качественно работы по ежедневному обслуживанию и проверке герметичности узлов и соединений газовой системы питания мыльными растворами и течеискателем.

6. Применение ГБО с системой сигнализации утечки газа позволит снизить затраты руководителей автопредприятий, инженерно-технических работников, обслуживающего и водительского персонала, связанных с техническим обслуживанием и эксплуатацией автомобилей на КПГ, с необходимой реконструкцией технической базы, а также обеспечит безопасные условия для обслуживающего персонала, пассажиров, не принесет вреда окружающей среде.

7. В настоящее время АГТС «САГА-7» находит практическое применение на газовых автобусах Икарус-280, ЛиАЗ-525657, ЛиАЗ-52937, ЛиАЗ-62127 в 11-м автобусном парке ГУП «Мосгортранс» в соответствии с «Руководством по эксплуатации газового оборудования для работы на компримированном природном газе», которое разработано кафедрой Эксплуатации автомобильного транспорта и автосервиса МАДИ (ГТУ).

8. По данным 11-го автобусного парка (г. Москва) эксплуатационные затраты на проверку герметичности элементов АГТС «САГА-7» на газовых автобусах снижены многократно по сравнению с определением мест утечек газа течеискателем или путем омыливания.

9. Предлагаем использовать опыт эксплуатации автобусов, работающих на КПГ, 11-го автобусного парка в других городах и регионах России.

От редкации

Редакция журнала просит подписчиков высылать подписанные экземпляры накладных в редакцию по адресу: 115304, г. Москва, ул. Луганская, д. 11, оф 304