Elementy samochodowych układów gazowych

Bez względu na generację układu gazowego, jednym z najważniejszych jego elementów pozostaje zbiornik paliwa. Od jego działania i zamontowanego na nim osprzętu zależy w dużej mierze bezpieczeństwo eksploatacji samochodowej instalacji gazowej.

Van Ekstrawielozawór

Osprzęt montowany na zbiorniku składa się z wielu zaworów; w naszych realiach jest stosowany osprzęt zespolony (typu włoskiego) w postaci tzw. wielozaworu. Na innych rynkach częściej jest stosowany osprzęt rozdzielony (typu holenderskiego), który zapewnia większe przekroje zaworów, a co za tym idzie ich większe wydajności. Przy dużych zbiornikach stosowanie armatury rozdzielonej jest wręcz niezbędne, by uzyskać wymaganą wydajność zaworu bezpieczeństwa.

Samochodowe zbiorniki gazowe projektuje się tak, by umożliwić odkształcenie plastyczne ścianek przed pęknięciem. Jest to sytuacja ekstremalna, do której nie dopuści zastosowana armatura, lecz teoretycznie możliwa. Dzięki takiej konstrukcji zniekształcenie można szybko zauważyć, a ciśnienie obniżyć do bezpiecznego poziomu. Konstrukcja zbiornika musi umożliwiać przyrost objętości przed rozerwaniem o przynajmniej 20% i ciśnienie, przy którym następuje zniszczenie równe 2,25 x ciśnienie próby hydraulicznej (3 MPa), której jest poddawany każdy zbiornik. Z tego względu zbiorniki są wykonywane ze stali St 52-3.

W skład osprzętu zbiornika wchodzą następujące zawory i urządzenia:
- zawór bezpieczeństwa - zgodnie z poprawką 01 do regulaminu 67 EKG ONZ wprowadzoną w 2002 r., wszystkie zbiorniki gazowe są wyposażane w zawory bezpieczeństwa cechowane na ciśnienie 2,5±0,1 MPa, po przekroczeniu którego nadmiar gazu jest upuszczany do atmosfery;
- zawór ogniowy (topikowy) - otwiera się przez stopienie po osiągnięciu przez płaszcz zbiornika temperatury 110°C. Jest to także bardzo ważny zawór, gdyż materiał zbiornika wraz ze wzrostem temperatury bardzo szybko się osłabia. Przy szybkim wzroście temperatury zawór nadciśnieniowy może nie zdążyć zadziałać (wzrost ciśnienia jest wolniejszy), co mogłoby doprowadzić do odkształcenia lub rozerwania zbiornika. Przed takim zagrożeniem chroni zawór ogniowy. Oba zawory, nadciśnieniowy i ogniowy, muszą mieć kontakt wyłącznie z przestrzenią zbiornika wypełnioną fazą gazową, dlatego wielozawory przeznaczone do zbiorników toroidalnych mają specjalne rurki (wygięte ku górze), łączące je z przestrzenią wypełnioną gazem odparowanym. Jest to bardzo istotne z uwagi na możliwość oszronienia kanałów, a tym samym zmniejszenia przekrojów i wydajności zaworów, gdyby uchodził przez nie gaz płynny;
- zawór tankowania - w złączu tankowania znajduje się zawór zwrotny zdublowany w wielozaworze na zbiorniku;
- wskaźnik poziomu paliwa - służy do orientacyjnej oceny poziomu paliwa w zbiorniku. Ruch na wskazówkę jest przekazywany za pośrednictwem układu magnetycznego, aby uniknąć kolejnego punku w wielozaworze wymagającego uszczelnienia. Wskaźnik jest przede wszystkim przeznaczony dla służb ratowniczych, które na podstawie jego wskazania oceniają ryzyko akcji. Często sygnał jest wykorzystywany do wskazania poziomu paliwa w kabinie kierowcy;
- elektrycznie lub ręcznie sterowany zawór wypływu (zawór roboczy) - zawór ten odcina dopływ gazu do silnika. Jest on przydatny w czasie prac serwisowych lub w sytuacjach awaryjnych (służby ratownicze mogą odciąć dopływ gazu do komory silnikowej);
- urządzenie ograniczające stopień napełnienia zbiornika do 80% jego pojemności geometrycznej - tak zwany „zawór 80%” działa w połączeniu z pływakiem, który osiągając odpowiednie położenie odcina dopływ paliwa w czasie tankowania. Dzięki temu nad lustrem ciekłego LPG cały czas utrzymuje się „poduszka gazowa”, umożliwiająca jego rozszerzenie pod wpływem temperatury. Prawidłowo, w 80% napełniony zbiornik gazu w temperaturze -15°C wykazuje ciśnienie wewnętrzne 0,1 MPa, a w temperaturze +50°C ciśnienie w zbiorniku ma wartość 1,5 MPa. Z uwagi na współpracę tego zaworu z pływakiem we wnętrzu zbiornika, do prawidłowej pracy jest niezbędne jego odpowiednie ustawienie;

Van Ekstraarmatura rozdzielona

- zawór ograniczający nadmierny wypływ gazu - inaczej nazywany zaworem kinetycznym, co wiąże się z zasadą jego działania. Reaguje on na zbyt szybki, przekraczający zapotrzebowanie silnika wypływ gazu ze zbiornika króćcem doprowadzającym paliwo do komory silnikowej. Zbyt szybki wypływ gazu porywa ze sobą kulkę, która dociskana do gniazda zamyka wypływ gazu. Zmniejszenie przepływu cofa kulkę do „normalnego” położenia i sytuacja powtarza się cyklicznie, dopóki gaz jest w zbiorniku lub do momentu zakręcenia zaworu roboczego w wielozaworze. Zawór nie pozwala na zbyt szybki wypływ gazu np. w sytuacji przerwania lub odłączenia przewodu zasilającego reduktor-parownik;
- zawór zwrotny (jednokierunkowy) - umożliwia przepływ gazu przy tankowaniu tylko w kierunku zbiornika;
- elektrozawór gazowy - sterowany elektrycznie zawór, który otwiera się po podaniu napięcia elektrycznego, a zamyka pod działaniem sprężyny. Pojawienie się napięcia sterującego zależy od tego, czy silnik jest uruchomiony (centrala sterująca wykrywa impuls pracującej cewki zapłonowej). Dzięki temu zawór otwiera się w momencie włączenia silnika i zamyka, gdy silnik nie pracuje (także w sytuacjach awaryjnych np. wypadek drogowy). W ten sposób na drodze gazu do komory silnikowej znajdują się dwa zawory elektromagnetyczne: jeden na zbiorniku, a drugi w komorze silnika.

Takie same elementy składowe wchodzą w skład armatury rozdzielonej. Są one umieszczone na płycie armaturowej, toteż zajmuje ona znacznie więcej miejsca niż wielozawór. Jednak dzięki rozdzieleniu zaworów na pojedyncze elementy można zwiększyć precyzję ich działania i zwiększyć ich przekroje, zapewniając odpowiednią wydajność np. zaworu bezpieczeństwa, co jest niezbędne w większych zbiornikach (wydajność zaworu bezpieczeństwa jest powiązana z powierzchnią płaszcza zbiornika). Ponadto w razie uszkodzenia wymienia się jeden zawór (wielozawór wymienia się w całości). Zaletą wielozaworu są jego małe wymiary, co jest bardzo istotne w przypadku zbiornika toroidalnego: umieszcza się go wewnątrz torusa, dzięki czemu wymiary zbiornika nie zwiększają się. W przypadku zastosowania osprzętu rozdzielonego należałoby się liczyć ze zmniejszeniem objętości zbiornika.

Wielozawór lub armatura rozdzielona typu holenderskiego zawsze są umieszczane w specjalnej, gazoszczelnej obudowie, połączonej z atmosferą przez przewody wentylacyjne wyprowadzone pod podłogę samochodu. Dzięki temu w razie wystąpienia nieszczelności wydobywający się gaz jest usuwany poza wnętrze pojazdu, nie stwarzając zagrożenia dla kierowcy i pasażerów.

Van Ekstrareduktor

Przed reduktorem-parownikiem jest montowany kolejny elektrozawór, otwierający się w momencie uruchomienia silnika (do otwarcia niezbędny jest sygnał pracującej cewki zapłonowej), który jest ostatnim zabezpieczeniem części wysokociśnieniowej. Jest on zintegrowany z filtrem gazowym, który należy okresowo wymieniać.

Oprócz tego, również część niskociśnieniowa instalacji gazowej ma swoje zabezpieczenia. W reduktorze-parowniku znajduje się elektrozawór, zabezpieczający przed niekontrolowanym wypływem gazu w sytuacjach awaryjnych. Podobnie jak elektrozaworami gazowymi na zbiorniku i w komorze silnikowej, jego pracą steruje sygnał cewki zapłonowej (wtedy jest możliwe jego otwarcie). Zamknięcie, podobnie jak w tamtych, realizuje sprężyna. Poza tym w reduktorach dwustopniowych (stosowanych w instalacjach 1. i 2. generacji) stosuje się zabezpieczenie przed wzrostem ciśnienia w I stopniu redukcji ponad 0,42 MPa. Sprężyna oraz podobna do niej umieszczona po przeciwnej stronie membrany I stopnia zabezpieczają ją przed uszkodzeniem w przypadku gwałtownego wzrostu lub spadku ciśnienia gazu w komorze I stopnia.

Zdarzały się przypadki samowolnej ingerencji użytkowników w system gazowy samochodu. Przykładem może być użytkownik, który w ramach „ulepszeń” zdemontował pływak w wielozaworze. Pozbawił zawór 80% możliwości działania, dzięki czemu zbiornik paliwa można było całkowicie napełnić. Czym to grozi w wysokiej temperaturze otoczenia, nie trzeba chyba tłumaczyć.

Kolejnym bardzo ważnym elementem instalacji zasilającej jest reduktor-parownik, w którym następuje przygotowanie paliwa gazowego (przejście ze stanu ciekłego w gazowy). Często nowe reduktory są zintegrowane ze wspomnianym elektrozaworem gazowym. Dzięki temu urządzenie jest bardzo proste w montażu, zmniejsza się liczba połączeń w układzie wysokiego ciśnienia, a tym samym możliwość wystąpienia nieszczelności. Również obsługa takiego reduktora jest dużo prostsza. Wymiana wkładu filtra, podstawowa czynność obsługowa w każdej instalacji gazowej, jest bardzo prosta i szybka, nie wymaga demontażu elementów i złącz wysokociśnieniowej części instalacji. Często reduktor jest wyposażony tylko w jedną cewkę elektrozaworu, co przyczynia się do zmniejszenia obciążenia elektrycznego (w „normalnej” instalacji pracują 3 elektrozawory). Ma to dość duże znaczenie dla instalacji elektrycznej, ponieważ w czasie pracy silnika wszystkie zawory są otwarte dzięki działaniu cewek elektromagnesów, które muszą pokonać opór sprężyn zamykających.

Van Ekstraelementy w samochodzie

Reduktory są nadal najczęściej dwustopniowe (choć udział urządzeń jednostopniowych rośnie, szczególnie wraz ze wzrostem udziału systemów wtryskowych w zasilaniu LPG). W pierwszym stopniu następuje odparowanie ciekłego LPG, komora drugiego stopnia pełni funkcję regulacyjną. W zależności od obciążenia silnika reduktor dawkuje odpowiednią ilość gazu, która przewodem trafia do mieszalnika w układzie dolotowym silnika. Dlatego najlepiej, jeśli membrana komory regulacyjnej ma dużą średnicę. Przy stosunkowo małej różnicy ciśnień: kolektor dolotowy-atmosfera, reduktor taki charakteryzuje się szybką odpowiedzią na zmiany podciśnienia w układzie dolotowym silnika.

Reduktor musi zapewniać bardzo dobre odparowanie gazu nawet przy dużych obciążeniach, kiedy może dochodzić do jego wychłodzenia na skutek zwiększonego przepływu gazu. Wzrastające obciążenie silnika powoduje zwiększenie przepływu gazu przez reduktor i zmniejszenie temperatury odparowanego LPG. Różnice w temperaturze gazu na wyjściu z reduktora powodują zmianę gęstości gazu,zmienia się ilość energii w jednostce objętości. Może to powodować kłopoty w sterowaniu składem mieszanki gazowo-powietrznej, nieosiąganie przez silnik pełnej mocy, zwiększone zużycie paliwa. Aby temu przeciwdziałać, wiele uwagi w konstruowaniu reduktorów poświęca się odpowiedniemu zaprojektowaniu układu wymiany ciepła pomiędzy cieczą chłodzącą a gazem. Dzięki temu uzyskuje się stabilną temperaturę gazu na wyjściu z reduktora, szczególnie w zakresie wysokich obciążeń silnika.

Reduktory wymagają regulacji z uwagi na starzenie się gumy membrany, która ulega zesztywnieniu. Trzeba zatem zmieniać charakterystykę układu przepona-sprężyna podpierająca tak, by reduktor zachowywał jak najmniejszą bezwładność w reagowaniu na zmiany podciśnienia w układzie dolotowym. Niedogodność tę eliminują reduktory jednostopniowe, stosowane w najnowocześniejszych układach wtrysku gazu. Odparowanie i regulacja ciśnienia gazu następują w jednej komorze. Funkcję regulacyjną (dostosowanie wydajności do zapotrzebowania silnika na paliwo) przejęły elektronicznie sterowane wtryskiwacze. Dzięki takiej konstrukcji reduktory jednostopniowe mają mniejsze wymiary. Zasilanie listwy wtryskowej wymusza pracę z nadciśnieniem, które ma stałą wartość w stosunku do ciśnienia panującego w kolektorze dolotowym, dzięki zastosowaniu układu kompensacji (doprowadzenie ciśnienia z kolektora na drugą stronę membrany). Praca z nadciśnieniem i układem kompensacyjnym umożliwia montaż urządzenia w każdym położeniu, co w połączeniu z niewielkimi wymiarami zewnętrznymi stanowi ułatwienie dla montażysty.