Generacje instalacji

Ewolucja gazowych systemów zasilania

Duża popularność systemów zasilania gazem płynnym wynika z możliwości ograniczenia kosztów eksploatacji pojazdów, natomiast zmiany w zakresie dopuszczalnych wartości emisji szkodliwych składników spalin wymuszają postęp w dziedzinie zasilania zarówno benzyną, jak i LPG.

Pierwsze instalacje wykorzystujące LPG jako paliwo w silnikach powstały we Włoszech, we wczesnych latach powojennych, w związku z niedoborem klasycznych paliw silnikowych. Opracowane wtedy rozwiązania i koncepcja zasilania silników gazem przez długie lata służyły do napędu samochodów z silnikami benzynowymi. Są one wykorzystywane jeszcze obecnie w starszych samochodach z silnikami gaźnikowymi oraz wtryskiem paliwa, bez katalizatora.

Wprowadzenie katalizatora w układzie wydechowym wymusiło pierwsze istotne zmiany zarówno w układach benzynowych, jak i nadążających za nimi układach gazowych. Gaźnik zaczął powoli odchodzić do lamusa. Upowszechniły się układy wtrysku benzyny (jedno- i wielopunktowe) z sondą lambda. Jej zastosowanie pozwoliło na zawężenie granic składu mieszanki, by katalizator mógł pracować efektywnie (niska emisja szkodliwych składników spalin). Spowodowało to również elektronizację układów gazowych, które zaczęły bardziej precyzyjnie dawkować paliwo. Wykorzystywały one jednak cały czas tę samą koncepcję zasilania silnika, bazującą na pierwotnych rozwiązaniach włoskich.

Zaostrzenie norm emisyjnych w kolejnych latach spowodowało powszechne wprowadzenie do samochodów systemów diagnostycznych monitorujących jakość procesu spalania (EOBD). Wymusiło to kolejne zmiany w gazowych układach zasilających tak, aby zapewnić jeszcze większą precyzję dawkowania paliwa - wprowadzono kolejno systemy ciągłego i sekwencyjnego wtrysku LPG w postaci gazowej. Te ostatnie są właściwie standardem dla nowoczesnych jednostek napędowych. Są także niezbędne w adaptacji na zasilanie gazowe jednostek napędowych z długimi kolektorami dolotowymi, często ze zmienną długością.

Na rynku dostępny jest również system V generacji - sekwencyjnego wtrysku w fazie ciekłej. W odróżnieniu od wcześniej opisanego systemu gaz jest wtryskiwany w stanie ciekłym i odparowuje dopiero w kanałach dolotowych. Taka strategia działania powoduje, że silnik zachowuje lub wręcz osiąga wyższe parametry na gazie niż na benzynie. Pod względem funkcjonowania, instalacja właściwie nie różni się od IV generacji i służy do zasilania silników z wtryskiem paliwa, sondą lambda i systemem EOBD.

Prześledzenie rozwoju gazowych systemów zasilających pozwala na ich usystematyzowanie. Rozróżniamy 5 generacji gazowych systemów zasilających:

gazeo.plInstalacja podciśnieniowa z ręczną regulacją (1- reduktor-parownik, 2-elektrozawór gazowy, 3- zawór regulacyjny)

I generacja - Instalacja podciśnieniowa z ręczną regulacją

Najprostsza instalacja, przeznaczona do silników o zapłonie iskrowym z zasilaniem gaźnikowym lub wtryskiem benzyny (jedno- lub wielopunktowym) bez sondy lambda i katalizatora. Paliwo gazowe jest podawane w początkowej części układu dolotowego - centralnie, przed przepustnicą. Regulację składu mieszanki w tych układach zapewnia reduktor-parownik, ilość gazu jest regulowana poprzez ręczny regulator, aby zapewnić odpowiednie parametry silnika w pełnym zakresie obrotów i obciążeń. Sterowanie instalacją jest czysto mechaniczne, jedynie w silnikach z wtryskiem paliwa stosowane są przełączniki rodzaju zasilania z układem elektronicznym umożliwiającym przełączenie na gaz przy zadanej prędkości obrotowej (regulowanej potencjometrem).

Miejsce podawania paliwa: centralnie, w początkowej części układu dolotowego, przed przepustnicą (podobnie jak benzyna w silnikach gaźnikowych czy z wtryskiem jednopunktowym).

Stan skupienia dostarczanego do silnika paliwa: gazowy

Regulacja: reduktor oraz ręczny regulator przepływu gazu, którego ustawienie jest uśrednione dla całego zakresu prędkości obrotowych i obciążeń silnika.

Zastosowanie: silniki o zapłonie iskrowym z zasilaniem gaźnikowym lub wtryskiem benzyny (jedno- lub wielopunktowym), bez sondy lambda i katalizatora.

Zalety: prosta budowa, nieskomplikowany montaż, niska cena.

Wady: obecnie ograniczone zastosowanie, właściwie tylko do samochodów starszego typu, z uwagi na mało precyzyjną regulację składu mieszanki (wystarczającą do silników gaźnikowych i prostych wtryskowych).

gazeo.plInstalacja podciśnieniowa z elektroniczną regulacją (1- reduktor-parownik, 2- elektrozawór gazowy, 3- silnik krokowy, 4- sterownik elektroniczny)

II generacja - Instalacja podciśnieniowa z elektroniczną regulacją

Systemy tego typu są rozwinięciem I generacji, z przeznaczeniem do silników o zapłonie iskrowym z wtryskiem benzyny (jedno- lub wielopunktowym), z sondą lambda i katalizatorem. Paliwo jest nadal podawane w początkowej części układu dolotowego - centralnie, przed przepustnicą, natomiast zmodyfikowano układ regulacji poprzez zastosowanie elektronicznego układu kontroli składu. Na podstawie sygnałów czujnika prędkości obrotowej oraz sondy lambda i czujnika położenia przepustnicy, steruje on elektronicznym regulatorem przepływu gazu (silnikiem krokowym), zapewniając optymalny skład mieszanki, niezbędny do prawidłowego działania katalizatora.

Miejsce podawania paliwa: centralnie, w początkowej części układu dolotowego, przed przepustnicą (podobnie jak benzyna w silnikach gaźnikowych czy z wtryskiem jednopunktowym).

Stan skupienia dostarczanego do silnika paliwa: gazowy

Regulacja: reduktor i elektronicznie sterowany regulator przepływu (silnik krokowy), wykorzystujący odczyty z czujników silnika (sonda lambda, czujnik prędkości obrotowej i położenia przepustnicy).

Zastosowanie: silniki o zapłonie iskrowym z wtryskiem benzyny (jedno- lub wielopunktowym), z sondą lambda i katalizatorem. W pewnych przypadkach również silniki z układem EOBD (przy zastosowaniu specjalnych emulatorów).

Zalety: prosta budowa, nieskomplikowany montaż i związana z tym niska cena.

Wady: ograniczone właściwie tylko do samochodów starszego typu z katalizatorem i sondą lambda z uwagi na ograniczoną precyzję regulacji składu mieszanki niewystarczającą do stosowania w najnowocześniejszych silnikach.

gazeo.plWtrysk ciągły gazu w fazie lotnej (1- reduktor-parownik, 2- elektrozawór gazowy, 3- regulator przepływu, 4- emulator wtryskiwaczy)

III generacja - Wtrysk ciągły gazu w fazie lotnej

Układy te znajdują zastosowanie w silnikach o zapłonie iskrowym z wtryskiem benzyny (jedno- lub wielopunktowym), z sondą lambda i katalizatorem. W odróżnieniu od wcześniejszych generacji, zastosowano podawanie paliwa gazowego do poszczególnych kanałów dolotowych kolektora oddzielnie, w pobliżu zaworów. Pomimo że paliwo jest podawane w sposób ciągły, zapewniono znacznie lepszy rozkład mieszanki pomiędzy poszczególne cylindry niż w poprzednich generacjach. Ilość paliwa dostarczanego do cylindrów jest sterowana elektronicznie, za pomocą regulatora (rozbudowanego w stosunku do II generacji), z wykorzystaniem sygnałów z czujników pojazdu (sondy lambda, prędkości obrotowej i potencjometru przepustnicy), zapewniając optymalny skład mieszanki, niezbędny do prawidłowego działania katalizatora. Dzięki wyeliminowaniu mieszalnika z układu dolotowego poprawiają się osiągi silnika (w stosunku do poprzednich generacji) przy równoczesnym zmniejszeniu zużycia gazu. Zwiększa się precyzja dawkowania paliwa, nie występuje zjawisko cofającego się płomienia z uwagi na sposób wprowadzenia gazu do kolektora dolotowego. Znajduje się w nim minimalna ilość mieszaniny gazowo-powietrznej.

Miejsce podawania paliwa: ciągły wtrysk gazu do kanałów dolotowych poszczególnych cylindrów w pobliżu zaworów.

Stan skupienia dostarczanego do silnika paliwa: gazowy

Regulacja: elektronicznie sterowany regulator przepływu wykorzystujący odczyty z czujników silnika (sonda lambda, czujnik prędkości obrotowej i położenia przepustnicy).

Zastosowanie: silniki o zapłonie iskrowym z wtryskiem benzyny (jedno- lub wielopunktowym), z sondą lambda i katalizatorem, również z systemem EOBD (przy zastosowaniu specjalnych emulatorów).

Zalety: możliwość adaptacji na zasilanie gazowe silników wymagających stosunkowo precyzyjnego dawkowania (długie układy dolotowe z precyzyjnym przepływomierzem powietrza), w których nie występują wtryskiwacze elektromagnetyczne (mechaniczny wtrysk benzyny).

Wady: w niektórych przypadkach niewystarczająca precyzja dawkowania paliwa. Jest to ostatnia generacja instalacji gazowych pracująca równolegle z układem wtrysku benzyny, tzn. sterownik instalacji gazowej zbiera poszczególne sygnały i sam reguluje skład mieszanki gazowo-powietrznej. Z tego względu wymaga stosowania dodatkowych emulatorów (wtryskiwaczy, EOBD jeśli silnik tego wymaga).

gazeo.plSekwencyjny wtrysk gazu (1- reduktor-parownik, 2- filtr gazu odparowanego, 3- listwa wtryskiwaczy, 4- sterownik elektroniczny)

IV generacja - Sekwencyjny wtrysk gazu

Są przeznaczone do silników o zapłonie iskrowym z wielopunktowym wtryskiem benzyny, z sondą lambda i katalizatorem oraz systemem EOBD. Obecnie najpopularniejsze i najbardziej precyzyjne systemy zasilania gazowego dostarczające LPG w fazie gazowej. Paliwo jest podawane do każdego kanału dolotowego kolektora oddzielnie, w pobliżu zaworów, przez wtryskiwacze elektromagnetyczne. Są one sterowane przez sterownik elektroniczny, który - wykorzystując jedynie sygnały sterujące wtryskiwaczami benzynowymi oraz sygnał prędkości obrotowej - dobiera czasy wtrysku dla układu gazowego. Systemy IV generacji nie wymagają pobierania żadnych innych sygnałów z czujników silnika ponieważ w przeciwieństwie do wcześniejszych generacji nie są systemami równoległymi, tzn. sterownik elektroniczny przelicza tylko sygnały sterujące wtryskiwaczami, pochodzące z centrali benzynowej na odpowiednie do wysterowania wtryskiwaczy gazowych. Cała strategia sterowania silnika jest cały czas realizowana przez sterownik benzynowy, działają wszelkie systemy diagnostyczne i nie trzeba stosować żadnych dodatkowych emulatorów (emulator wtryskiwaczy jest zintegrowany ze sterownikiem gazowym).

Miejsce podawania paliwa: sekwencyjny wtrysk gazu do kanałów dolotowych poszczególnych cylindrów, w pobliżu zaworów.

Stan skupienia dostarczanego do silnika paliwa: gazowy

Regulacja: elektroniczna - na podstawie sygnałów sterujących wtryskiwaczami benzynowymi dobierany jest czas wtrysku gazu.

Zastosowanie: silniki o zapłonie iskrowym z wielopunktowym wtryskiem benzyny, z sondą lambda i katalizatorem, wyposażone w systemy EOBD.

Zalety: bardzo precyzyjne dawkowanie paliwa, łatwy montaż.

Wady: stosunkowo wysoka cena.

VialleSekwencyjny wtrysk gazu w fazie ciekłej

V generacja - Sekwencyjny wtrysku gazu w fazie ciekłej

Układy tej generacji są przeznaczone do silników o zapłonie iskrowym z wielopunktowym wtryskiem benzyny, z sondą lambda i katalizatorem, wyposażonych w systemy EOBD. W odróżnieniu od wszystkich poprzednich generacji, paliwo gazowe jest podawane do silnika w stanie ciekłym. Tak samo jak w układach IV generacji, paliwo gazowe jest wprowadzane do kolektora w pobliżu zaworów dolotowych. Wtryśnięty ciekły gaz odparowuje w strudze przepływającego powietrza, powodując schłodzenie ładunku i zwiększenie napełniania cylindrów (w pewnym zakresie obrotów daje to wzrost parametrów silnika). Systemy V generacji są sterowane tak samo jak w poprzedniej (IV) generacji i wykorzystują sygnały sterujące wtryskiwaczami benzyny.

Miejsce podawania paliwa: sekwencyjny wtrysk ciekłego gazu do kanałów dolotowych poszczególnych cylindrów, w pobliżu zaworów.

Stan skupienia dostarczanego do silnika paliwa: ciekły

Regulacja: elektroniczna - na podstawie sygnałów sterujących wtryskiwaczami benzynowymi dobierany jest czas wtrysku gazu.

Zastosowanie: silniki o zapłonie iskrowym z wielopunktowym wtryskiem benzyny, z sondą lambda i katalizatorem, wyposażone w systemy EOBD.

Zalety: bardzo precyzyjne dawkowanie paliwa, łatwy montaż.

Wady: wysoka cena oraz ograniczona liczba aplikacji ponieważ są to najczęściej systemy dedykowane do konkretnych modeli samochodów.

Jak widać, zmiany w technice silnikowej, związane z zaostrzającymi się normami emisji spalin wymuszają również postęp w technologiach alternatywnego zasilania silników gazem. Prace nad rozwojem systemów gazowych trwają cały czas. Obecnie w fazie prób znajdują się systemy do zasilania gazem silników z bezpośrednim wtryskiem benzyny, w tym również bezpośredni wtrysk gazu ciekłego oraz instalacje dostosowane do pracy w silnikach Diesla (jednoczesne zasilanie olejem napędowym i gazem, pozwalające na zmniejszenie emisji szkodliwych składników spalin i kosztów eksploatacji). Do tego rodzaju zastosowań wykorzystuje się najbardziej zaawansowane systemy IV i V generacji, które poprzez zmiany w oprogramowaniu bardzo łatwo dostosować do nowej strategii działania.