CC BY
33Автомобильные 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 (СУГ-3)
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
