CC BY
36Особенности конструкции газобаллонного автомобиля для серийного заводского производства
П.Г. Теремякин,
руководитель проектов ООО «НПП ЭЛКАР», А.И. Латыпов, инженер ООО «НПП ЭЛКАР», А.Б. Бутнев,
старший инженер ООО «НПП ЭЛКАР»
В статье анализируются современные требования, предъявляемые к системе управления двухтопливным двигателем газобаллонного автомобиля, предназначенного для сборки в условиях заводского конвейера. Отражаются вопросы технологичности и надежности разработанной конструкции, благодаря чему обеспечивается привлекательность автомобиля на рынке, повышается его конкурентоспособность в сравнении с традиционным автомобилем, дооборудованным газовой системой. Приводятся результаты испытаний двигателей и автомобилей при их работе на бензине, сжиженном углеводородном газе (СУГ) и компримированном природном газе (КПГ) с разработанной системой управления Микас 12М.
Ключевые слова: газовое моторное топливо, битопливный автомобиль, серийное производство газобаллонных автомобилей, двухтопливная система управления.
Design of gas-tank vehicle for serial OEM production
P.G. Teremyakin, A.I. Latypov, A.B. Butnev
The article analyses the modern requirements to Engine Management System (EMS) of Bi-fuel vehicle for assembly on OEM line. Special attention is paid on improvement of manufacturability and reliability of the developed design that provides attractiveness of the vehicle at the market and improves competitiveness in comparison with traditional re-equipment of the vehicles with Gas system at aftermarket. Test results of the engines and vehicles when operating on petroleum, CNG and LPG with the developed Mikas-12M EMS are shown.
Keywords: Bi-fuel engine, OEM assembly of gas-tank vehicles, Bi-fuel Engine Management System.
Как известно, основной проблемой, сдерживающей развитие автотранспорта, работающего на КПГ и СУГ в РФ, является отсутствие достаточной государственной поддержки и серийного производства
автомобилей, работающих на газе [1]. На сегодня в большинстве случаев это направление отдано на откуп многочисленным фирмам по установке газобаллонного оборудования (ГБО) на автомобили, находящиеся в
эксплуатации. Однако ситуация может и должна измениться. Принятие Правительством РФ и вступление с 23.09.2010 г. в действие «Технического регламента о безопасности колесных транспортных средств» явилось дальнейшим шагом к приведению в соответствие отечественных нормативных документов и европейских в области автомобилестроения. В регламенте прописана необходимость соответствия конструкции ГБО, его размещения и установки Правилам ЕЭК ООН №№ 66, 67, 107, 110 и 115. Причем форма и схема подтверждения соответствия, описанная в п. 3 регламента Приложения 9, - это схема 4с и 5с, то есть обязательная сертификация с прохождением испытаний типового образца в аккредитованной испытательной лаборатории и анализом производства аккредитованным органом по сертификации продукции, который выдает заявителю сертификат на продукцию и выполняет контроль за сертифицированной продукцией.
В Правилах ЕЭК ООН № 115 («Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения специальных модифицированныхсистем СУГ, КПГ, предназначенных для установки на механических транспортных средствах, в двигателях которых используется СУГ, КПГ») указано, что после установки модифицированной системы на транспортном средстве это модифицированное транспортное средство должно соответствовать всем положениям Правил, на основании которых первоначально было предоставлено официальное утверждение по типу конструкции. Другими словами, если автомобиль «Газель» или «УАЗ» выпущен заводом как автомобиль экологического класса «Евро-3», удовлетворяющий требованиям специального технического регламента (включая требования Правил ЕЭК ООН №83-05), то и после установки ГБО он должен соответствовать этим же требованиям, что и должно быть подтверждено в ходе сертификационных испытаний ГБО в составе автомобиля. Причем это соответствие должно быть подтверждено
не только в отношении выбросов вредных веществ автомобилем, но и в отношении всего спектра требований, включая требования к бортовой диагностической системе. Все сказанное говорит о наступлении некого нового этапа в разработке, сертификации и производстве ГБО, обусловленного прежде всего высокими требованиями, предъявляемыми к автомобилям.
В соответствии с принятым регламентом установка ГБО (внесение изменений в конструкцию транспортного средства и последующая оценка его соответствия) производится по разрешению и под контролем подразделения МВД РФ по месту регистрационного учета транспортного средства (п. 81 Регламента). Номер свидетельства о соответствии транспортного средства с произведенными в его конструкции изменениями требованиям безопасности вносится подразделениями МВД РФ в паспорт транспортного средства и является
необходимым условием для разрешения его эксплуатации. Напомним, что сегодня, согласно письму МВД № 13/5129 от 30.06.2007 г., внесение в регистрационные документы на транспортное средство отметок об установке ГБО не производится.
Стремление серийных заводов увеличить сбыт своих автомобилей выразилось в их попытке организовать сборку газобаллонных модификаций, пользующихся в России традиционным спросом. Однако фактически ими предлагаются те же технические решения, которые традиционно используют установщики ГБО: навешивается на родную бензиновую систему управления еще и дополнительная газовая со своим блоком управления, датчиками, проводами и, естественно, проблемами. Такая система имеет название «подчиненная система» («Slave-System») по терминологии, принятой в Правилах ЕЭК ООН № 115. Основными доводами автозаводов в пользу такого
выбора на фоне стремления сэкономить на разработке и подготовке опытных образцов автомобилей являются: максимальное сохранение базовой, бензиновой комплектации автомобиля (минимизация заводских затрат на разработку), завершенность конструкции внедряемого комплекта ГБО с подтвержденным качеством производства компонентов и возможность «опереться» в самом широком смысле слова на поставщика комплекта в случае гарантийного обслуживания и ремонта оборудования.
Проанализируем типичную конструкцию комплекта ГБО в отношении соответствия требованиям по двум критериям:
■ соответствие системы управления двигателем двухтопливного автомобиля требованиям нормативных документов;
■ привлекательность на рынке двухтопливных автомобилей заводской сборки с «подчиненной системой».
Рис. 1. Структурная схема битопливной СУД Микас 12М
Анализ конструкции большинства предлагаемых на нашем рынке систем управления двигателем показывает их несоответствие требованиям действующего законодательства (Правила 83-05 ЕЭК ООН, Приложение 11) в отношении реализации бортовой диагностики (далее - БД), а именно:
п. 3.1.1 - в отношении доступа к БД-системе управления газом;
пп. 3.5, 3.6, 3.7 - в отношении действия индикатора неисправности ЕОБД и кода состояния (используемого топлива);
п. 3.9 - в отношении общих требований о БД для транспортных средств, работающих на двух видах топлива;
п. 3.9.2 - в отношении независимой процедуры диагностики при работе на бензине или газе;
п. 3.9.3 - в отношении передачи диагностических сигналов с транспортных средств, работающих на двух видах топлива;
п. 3.9.4 - в отношении информации о коде состояния при используемом топливе;
п. 6.5.1.1 - в отношении зарегистрированных неисправностей и занесения в «стоп-кадр»;
п. 6.5.1.2 - в отношении требуемой информации в «стоп-кадре» о давлении топлива в топливной магистрали;
пп. 6.5.3, 6.5.3.1-6.5.3.5 - в отношении стандартного и неограниченного доступа к БД-системе управления газом и соответствия стандартам ISO и/или спецификациям SAE.
Подобные газовые системы не могут быть сертифицированы как установочные газовые комплекты для автомобилей экологического класса 3 и выше: упомянутый выше технический
регламент о безопасности (Приложение 7, п. 6, 6.7) отсылает к Правилам 115 ЕЭК ООН в отношении технических требований к газовой системе (Добавление 114: Правила 115, Поправка 2, Дополнение 2, дата вступления в силу - 18.01.2006 г.). Регламент о безопасности (Приложение 2, п. 10 и Приложение 5, раздел 4, п. 4.1.) предусматривает необходимость соответствия автомобилей, находящихся в эксплуатации, специальному техническому регламенту «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ» (утвержден постановлением Правительства Российской Федерации 12.10.2005 г. № 609), который содержит требования соответствия Правилам 83-05 ЕЭК ООН.
Кроме того, следует отметить, что требования проведения сертификационных испытаний на двух эталонных газовых топливах, сильно различающихся по плотности (до 18%), диктуют необходимость учитывать и использовать в расчетах подачи газа параметры долговременной коррекции топливоподачи бензинового блока, но при работе двигателя только на газе. Эта функция может быть
и другая проблема: дилеры предпочитают брать с заводов автомобили на реализацию в максимально дешевой комплектации и устанавливать дополнительное оборудование самостоятельно. Если у них есть возможность установить комплект газобаллонного оборудования и на этом заработать, зачем брать готовый газобаллонный автомобиль, собранный на заводе?
В этой ситуации у автозавода два выхода. Первый - затруднить легализацию установки «чужого» ГБО на собранные автомобили, используя имеющиеся рычаги воздействия: с одной стороны полученный заводом сертификат на газобаллонный автомобиль, позволяющий считать его безопасным на законных основаниях и дающий «зеленую улицу» при регистрации в ГИБДД, с другой - угроза снятия автомобиля с гарантии, если на нем
реализована лишь в системах, имеющих информационный обмен между блоками.
Таким образом, для сертификации современного двухтопливного автомобиля или установочного комплекта в составе автомобиля, соответствующего требованиям «Евро-3» и выше, требуется проведение дополнительных мероприятий по изменению конструкции и программного обеспечения, по меньшей мере, электронного «газового» блока.
Благодаря чему газобаллонный автомобиль с дополнительной газовой системой, собранный на автозаводе, может составить конкуренцию автомобилю, переоборудованному в эксплуатации? Очевидно, что конкурентоспособность обеспечивается гарантийной поддержкой и, возможно, более низкой ценой автомобиля. Рассмотрим подробнее этот аспект.
Цена удорожания автомобиля зависит от стоимости комплектующих элементов ГБО и сборки газобаллонного автомобиля. Цена комплектующих элементов может быть снижена в случае больших объемов потребления, то есть гарантированного сбыта автомобилей. Себестоимость комплекта и сборки автомобиля на заводе при использовании традиционной
конструкции, ориентированной не на конвейер, с заводскими накладными расходами не может составить конкуренцию себестоимости тех установщиков, которые имеют стабильные и большие объемы потребления газовых компонентов.
Про надежность таких автомобилей говорить не приходится, так как в условиях увеличения количества компонентов, соединений и коммуникаций без проведения специальных мероприятий она не может быть выше базовой. Отсюда можно прогнозировать низкий объем сбыта серийных заводских газобаллонных автомобилей и, следовательно, не следует ожидать и больших объемов производства ГБА. Существует
не заводская установка газового оборудования. Однако эффективность таких рычагов в условиях рынка достаточно сомнительна. Второй выход - выпускать серийно двухтопливный автомобиль с лучшими техническими характеристиками и с меньшей ценой, гарантированно более привлекательный для потребителя, чем переоборудуемый в эксплуатации.
По пути собственной разработки конкурентоспособной конструкции идет Заволжский моторный завод в контакте с инжиниринговой фирмой ООО «НПП ЭЛКАР». К настоящему времени практически завершены исследовательские и доводочные работы по битопливным модификациям двигателей с микропроцессорной
Рис. 5. Рампа газовых форсунок с датчиком давления и температуры газа
системой управления Микас 12М (рис. 1) именно для серийного производства автомобилей (рис. 2, 3), использующих в качестве топлива бензин или/и газ. При этом ставилась цель обеспечения их безопасности, высокой надежности, снижения себестоимости сборки на конвейере, удобства диагностики и ремонта в эксплуатации, то есть обеспечение высокой конкурентоспособности автомобиля в сравнении с переоборудованным в эксплуатации.
Необходимо особо отметить именно битопливность двигателя и системы, то есть возможность сжигания в цилиндрах двигателя топливно-воз-душного заряда заданного состава, в котором топливо присутствует в виде смеси бензина и газа (метана). Весь проект отличается комплексным
подходом к решению задачи создания серийного двухтопливного автомобиля: от конструкции двигателя и системы управления до подготовки производства деталей и узлов для сборки на конвейере. Проект нацелен на снижение себестоимости и повышение надежности автомобиля. Решение именно этих задач обеспечивает привлекательность такого автомобиля для потребителей и успех автопроизводителя на рынке. Кроме того, применяемые технические решения позволяют решить проблему питания двигателя в долгосрочной перспективе - при использовании в качестве моторного топлива смеси водорода и метана и чистого водорода.
При внесении изменений в конструкцию двигателя и в ходе создания системы управления учитывались,
прежде всего, требования законодательства в отношении выбросов вредных веществ с отработавшими газами (включая выбросы СО2), требования к ресурсу и стабильности характеристик дозирующих устройств, а также результаты собственных исследований особенностей работы двигателя на газовом топливе. Результатом проведения комплексных работ явилось типовое модифицирование всего ряда двигателей ЗМЗ-40524, ЗМЗ-4091, ЗМЗ-40904 для обеспечения их эффективной работы на бензине, газе и смеси газа с бензином. Последний вариант наиболее актуален и перспективен при использовании метана или водорода.
На впускной трубе модифицированного двигателя (рис. 4) в дополнение к бензиновой топливной системе размещены газовая рампа с форсунками и датчиком давления/температуры газа, причем все это в габаритах бензинового двигателя, что важно в условиях ограниченного объема
подкапотного пространства автомобиля. Такая конструкция исключает применение многочисленных резиновых шлангов, традиционно используемых для подвода газа к впускному трубопроводу: количество шлангов и хомутов только в магистрали низкого давления газа достигает обычно 7 и 14 ед. соответственно. Применение специально разработанных изделий, снижение количества шлангов до двух единиц и отсутствие необходимости установки множества хомутов в условиях конвейерной сборки автомобиля повышают ее качество и, в конечном счете, надежность и безопасность газовой системы питания двигателя.
Сама рампа газовых форсунок (рис. 5) изготовлена из нержавеющей стали и подключается к газовой магистрали с помощью быстросъемного
соединителя, обеспечивающего с одной стороны гарантированную герметичность, с другой - простоту, удобство и скорость операции при сборке или демонтаже. При этом минимизируется влияние человеческого фактора: повреждение при затяжке или недостаточная затяжка хомутов газовых шлангов низкого давления. Аналогичные соединения применяются и для подключения фильтра газовой фазы и газового редуктора (рис. 6, 7).
Конструкция газового редуктора-испарителя отличается надежностью, компактностью и обеспечивает необходимый расход газа и давление на выходе во всем рабочем диапазоне двигателя, что подтверждено испытаниями. Развитая поверхность испарителя позволяет редуктору надежно
Рис. 9. Диагностический сканер АСКАН для битопливной системы
функционировать при низких температурах окружающей среды, что важно в условиях российского климата. Особое внимание уделено размещению элементов системы подачи газа, фильтрации и соединениям участков высокого давления газовой магистрали. Основной критерий - безопасность, технологичность и надежность в эксплуатации.
Главная отличительная особенность разработанной системы управления - это один многофункциональный микропроцессорный блок управления (рис. 8), обеспечивающий работу обеих систем топливоподачи при оптимальном управлении рабочим процессом двигателя как при его
Рис. 10. Изменение крутящего момента КВ двигателя ЗМЗ-4091 по внешней скоростной характеристике при его питании СУГ или КПГ относительно исходного (бензинового) варианта (система управления Микас 12М)
питании бензином или газом, так и при подаче смеси бензина и газа. Последний вариант позволяет управлять соотношением долей газа (метана) и бензина в цикловой подаче, благодаря чему достигается снижение эксплуатационных затрат, а в случае необходимости - использовать бензин с низким октановым числом без опасности повреждения двигателя. Эксплуатировать же такой двигатель на низкооктановом бензине без высокооктановой газовой добавки блок
управления не позволит. Таким образом, водитель имеет возможность выбора режима эксплуатации автомобиля: на бензине, на газе и на смеси газа с бензином, причем последний вариант наиболее удобен и экономичен с точки зрения конечных финансовых затрат на эксплуатацию автомобиля.
Кроме того, блок управления с программным обеспечением в полном объеме удовлетворяет требованиям Правил ЕЭК ООН № 83 в отношении бортовой диагностической системы,
Рис. 11. Сравнение вредных выбросов автомобиля «Соболь» при питании двигателя ЗМЗ-40524 бензином и сжиженным газом с системой управления Микас 12М
что особо отличает его от газовых блоков, применяемых при традиционном переоборудовании. Внешняя диагностика системы выполняется с помощью диагностического сканера АСКАН (рис. 9), который уже получил широкое распространение на станциях технического обслуживания.
Блок управления подключается к системе с помощью двухсекционного электрического соединителя. При этом каждая секция имеет свое функциональное назначение: одна необходима для подключения компонентов систем, размещенных непосредственно на двигателе, а другая - для размещенных на кузове автомобиле. Это дает возможность удобной и быстрой укладки моторного жгута проводов еще на моторном сборочном конвейере с последующей проверкой работоспособности компонентов системы управления и обкаткой двигателя. В таком виде двигатель поступает на автомобильный сборочный конвейер, где остается проложить лишь автомобильную часть жгута и завершить его подключение.
В отличие от традиционных конструкций, где в качестве переключателя вида топлива и указателя уровня газа в баллоне применяется специальное электронное устройство со светодиодным индикатором, в разработанной системе для информирования водителя об уровне газа применяется штатный указатель уровня бензина, а для переключения - один из резервных переключателей на панели приборов автомобиля. Управление указателем уровня обоих топлив осуществляет блок системы управления в зависимости от текущего положения переключателя вида топлива на панели приборов.
Испытания битопливных двигателей с исходной и повышенной степенью сжатия на моторном стенде и подготовленных автомобилей с двигателем ЗМЗ-40524 и УАЗ-33036 с двигателем ЗМЗ-4091 подтвердили их работоспособность и высокие технические характеристики. На рис. 10 показано изменение (в %) крутящего момента КВ двигателя при его
Рис. 12. Зависимость финансовых затрат на топливо при движении автомобиля с заданной скоростью при работе на бензине или/и КПГ
питании СУГ и КПГ относительно условий работы на бензине.
Как показывают графики, максимальное снижение крутящего момента КВ двигателя при работе на КПГ с исходной степенью сжатия (9,1) достигает 14%, а при работе на СУГ не превышает 5% и присутствует лишь на средних и больших частотах вращения КВ двигателя. На малых частотах вращения КВ двигателя мощностные показатели лучше, чем при работе на бензине. Повышение степени сжатия до 11 позволяет снизить крутящий момент при работе на КПГ до 8%, а при работе на СУГ добиться увеличения крутящего момента с 1,5 до 6% в сравнении с исходным моментом при питании двигателя бензином.
Результаты испытаний на токсичность газобаллонного автомобиля «Соболь» комплектации «Евро-3» с системой управления Микас 12М показаны на рис. 11. Как следует из их анализа, экологические показатели битопливного автомобиля отвечают требованиям регламента для автомобилей этого экологического класса со значительным запасом.
На рис. 12 представлена зависимость финансовых затрат на топливо при движении автомобиля «Газель» с двигателем ЗМЗ-40524, работающего на бензине и КПГ, от скорости
движения. В отличие от однотоп-ливного режима эксплуатации на КПГ, битопливный режим позволяет обеспечить более широкий диапазон мощности двигателя и значительно снизить эксплуатационные затраты. Результаты испытаний модифицированных двигателей, ориентированных на максимальную эффективность использования газового топлива, позволяют с уверенностью сделать вывод о реальной экономии топлива и повышении эксплуатационных технических характеристик автомобиля.
Выводы
Таким образом, созданы образцы газобаллонных автомобилей для заводской сборки, удовлетворяющие современным и перспективным требованиям, себестоимость производства которых будет ниже, а надежность выше в сравнении с применяемым традиционным установочным комплектом газобаллонного оборудования. Осталось сделать последний шаг - начать производство таких автомобилей.
Литература
1. Рубан А.Г. Экономические стимулы применения КПГ на автотранспорте. М. Транспорт на альтернативном топливе, № 5 (11) 2009.
