Газовий редуктор - пристрій для зниження і автоматичної підтримки тиску газу на виході незалежно від тиску на вході і кількості розхід газу.

Незважаючи на простоту виконуваної газовим редуктором завдання він є, одним з найбільш суперечливих елементів газотопливною системи автомобіля. З газовими редукторами, їх характеристиками і впливом на роботу системи пов'язана найбільша кількість міфів, домислів і повір'їв. Так давайте ж розберемося в принципі дії газового редуктора, в класифікації редукторів і особливості конструкції газових редукторів різних типів.

В основному, застосовуються на автомобілях, газові редуктори діляться на кілька типів залежно від типу газу, для роботи з яким вони призначені і від методу подачі газу в двигун (змішувальна або вприськовую система). Різне призначення обумовлює різні конструктивні особливості, наприклад кількість ступенів редуктора. Так само зустрічаються різні конструкції клапанів, використовуваних для дозування газу всередині редуктора. На Рис. 1 схематично зображено обидва типи клапанів, що застосовуються в редукторах.

На першій ілюстрації показана класична конструкція «важеля» типу, де стрілками червоного кольору позначені напрямки руху важелів механізму при роботі редуктора. На другий ілюстрації зображена конструкція «голчастого» типу. Як видно на малюнку - конструкція клапана «голчастого» типу є легшою і мініатюрної, що позитивно позначається на максимальній пропускній здатності редуктора при мінімальних розмірах. Як правило, редуктора з клапанами такого типу забезпечують дуже високі показники потужності при дуже малих розмірах. Є у редукторів з клапанами «голчастого» типу і свої недоліки. Виготовлення голчастого клапана вимагає більш високої точності, що обумовлює трохи вищу ціну таких редукторів, а також дещо вищу чутливість до наявності механічних домішок в паливі.

Після визначення методу подачі газу в двигун і типу використовуваного палива - основним критерієм грамотного підбору газового редуктора до автомобіля є потужність двигуна і середня витрата палива. Газові редуктора для змішувальних газової мережі рекомендується підбирати відповідно до рекомендованої заводом орієнтовною потужністю двигуна. У редукторів для систем упорскування газу завод вказує в описі вже не рекомендовану потужність, а максимальну. З цієї причини бажано підбирати редуктор для системи упорскування газу з невеликим запасом, а для автомобілів з великим витратою палива (позашляховики, мікроавтобуси і т.д.) рекомендується підбирати газовий редуктор зі значним запасом продуктивності.

Так розберемося все ж, як працює газовий редуктор і в чому відмінність різних типів газових редукторів. Як приклад найпростішого редуктора розглянемо побутової редуктор (Рис 2), застосовуваний на побутових балонах, наприклад для підключення газової плити.

Розглянемо конструкцію цього редуктора за допомогою схеми на (рис.3):

В процесі роботи даного редуктора (на рис. 3) у вхідний штуцер №1 подається газ з балона під високим тиском і потрапляє, пов'язаний з мембраною №4 клапан №2. Залежно від положення мембрани клапан відкривається і закривається, регулюючи подачу газу в робочу камеру №5 редуктора. На мембрану №4 з одного боку діє сила створювана тиском газу, а з іншого боку сила, що складається з зусилля пружини №6 і тиску повітря (що надходить через отвір у верхній кришці). У разі якщо зусилля чиниться тиском газу на мембрану №4 виявиться більше зусилля створюваного пружиною №6 і тиском повітря - мембрана №4 переміститься вгору і за допомогою важеля №3 закриє вхідний клапан №2. У міру витрати газу тиск у нижній камері редуктора буде знижуватися, що призведе до того, що зусилля створюване пружиною №6 і повітрям виявиться вище, ніж зусилля створюване тиском газу. Під дією різниці цих сил мембрана №4 почне переміщатися вниз і за допомогою важеля №3 відкриє вхідний клапан №2, що дозволить поступити в робочу камеру №5 нової порції газу. Надходження нової порції газу призведе до збільшення тиску в камері №5 і, як наслідок, закриття вхідного клапана №2. Таким чином, тиск газу на виході з редуктора буде утримуватися на рівні заданому зусиллям пружини, не залежно від тиску на вході і кількості розхід газу.

Необхідно відзначити, що вихідний канал найпростішого редуктора матиме більший перетин, чим вхідний, для того, щоб пропустити таку саму кількість газу, але при меншому тиску.

Такий простий одноступінчатий редуктор підходить для зниження тиску газу в кілька разів, забезпечує невисоку стабільність тиску газу на виході і не здатний видавати тиск нижче атмосферного. По суті, максимальним перепадом тиску на одноступенчатом редукторі буде перепад, при якому зусилля додається тиском газу в камері №5 на мембрану №4 буде недостатньо для утримання клапана №2 в закритому стані. Також, чим вище перепад тиску, тим сильніше буде пульсувати тиск при роботі редуктора.

Так як, по суті, тиск газу на виході з редуктора задається зусиллям пружини. Змінюючи зусилля пружини можна налаштовувати тиск на виході з редуктора. Для зміни зусилля пружини в певному діапазоні досить створити їй попередній натяг, наприклад, попередньо стиснути її регулювальним гвинтом, як показано на Рис. 4.

Для зниження вихідного тиску нижче величини атмосферного тиску необхідно змінити конструкцію редуктора і перенести пружину, як показано на Рис.5.

В процесі роботи даного редуктора (на рис. 5) у вхідний штуцер №1 подається газ з тиском вище атмосферного і потрапляє, пов'язаний з мембраною №4 клапан №2. Залежно від положення мембрани клапан відкривається і закривається, регулюючи подачу газу в робочу камеру №5 редуктора. На відміну від раніше описаного найпростішого редуктора в цьому редукторі на мембрану №4 з одного боку діє сумарна сила, що складається з зусилля пружини №6 і сили створюваної тиском газу в камері №5, а з іншого боку сила створювана тиском повітря (що надходить через отвір в верхній кришці). У разі якщо сума сил в камері №5 виявиться більше ніж сила створювана тиском повітря - мембрана №4 переміститься вгору і за допомогою важеля №3 закриє вхідний клапан №2. У міру витрати газу тиск у нижній камері редуктора буде знижуватися, що призведе до того, що зусилля створюване повітрям виявиться вище, ніж зусилля створюване тиском газу і пружиною №6. Під дією різниці цих сил мембрана №4 почне переміщатися вниз і відкриє вхідний клапан №2 за допомогою важеля №3, що дозволить поступити в робочу камеру №5 нової порції газу. Надходження нової порції газу призведе до збільшення тиску в камері №5 і, як наслідок, закриття вхідного клапана №2. Таким чином, тиск газу на виході з редуктора буде утримуватися на рівні заданому зусиллям пружини, не залежно від тиску на вході і кількості розхід газу.

Як і в попередньому випадку, створення попереднього натягу пружини за допомогою регулювального гвинта дозволить регулювати тиск газу на виході з редуктора.

Спробуємо створити автомобільний газовий редуктор для роботи на стиснутому природному газі (Метан). В автомобільних балонах для стиснутого природного газу метан міститься під тиском 200 бар, а в змішувач необхідно подавати тиск близько 0,7 бар, та ще й мати можливість регулювати тиск газу на виході. Для такого значного зниження тиску газу бажано застосувати два ступені працюють з тиском вище атмосферного і одну вихідну щабель, що працює з тиском нижче атмосферного. Схематично наш редуктор буде виглядати, як показано на Рис. 6.

Не варто забувати, що при стисненні газ нагрівається, а при розширенні охолоджується, що може привести до поступового зниження температури не тільки газу на виході з редуктора, а й самого корпусу редуктора. Критичне обмороження може призвести до заклинювання і поломки редуктора. Для того, щоб уникнути обмерзання трохи подогреем корпус редуктора, за допомогою гарячої охолоджуючої рідини двигуна. Як правило, система обігріву метанового редуктора це невеликий теплообмінник, встановлений на вході газу в редуктор і злегка підігріває проходить газ, а також і корпус редуктора.

Отже, що надходить в редуктор під тиском до 200 бар газ буде попередньо підігріватися в простенькому теплообміннику на вході, звідки надійде в першу камеру редуктора. Перша камера редуктора, діючи за принципом найпростішого газового редуктора, знизить тиск газу з 200 бар до приблизно 10 бар. З першої камери газ по внутрішньому каналу газ надійде в другу камеру, де тиск знизиться з 10 бар до 1.6 бар. І в кінці газ надійде в останню камеру, конструкція якої злегка відрізняється, так як вона знизить тиск з 1,6 бар до 0,7 бар (що нижче атмосферного). Остання щабель (камера) редуктора додатково обладнана регулювальним гвинтом для точного налаштування тиску газу на виході.

Пропорційно зменшенню тиску газу в ступенях зменшується його щільність, таким чином, один і той же кількість газу (маса) до і після ступені буде займати різний обсяг. При незмінній кількості і температурі газу при зниженні тиску обсяг газу виросте у стільки ж разів, у скільки знизиться тиск. Цим обумовлюється покрокове збільшення не тільки перетинів каналів редуктора, але і обсягів камер у міру зниження тиску.

При даній конструкції редуктора і за умови номінального тиску на вході в редуктор максимальна пропускна здатність буде обмежуватися тільки пропускною здатністю каналів і клапанів. З цієї причини будемо вважати пропускною спроможністю редуктора максимальну кількість газу, що пропускається крізь редуктор, при проходженні якого тиск на виході з редуктора не впаде нижче значення заданого Настроювальна гвинтом. Іншими словами все клапана вже знаходяться в відкритому стані, але витрата газу настільки великий, що тиск газу на виході з редуктора все одно нижче заданого.

Але надмірно збільшувати пропускну здатність редуктора також неприпустимо через зниження стабільності вихідного тиску при пропущенні малої кількості газу. На практиці виходить, що за період часу, необхідний для виконання операції відкриття і закриття механізмом (що складається з клапана, важеля, мембрани і пружини) в камеру через канал занадто великого перерізу потрапляє занадто велика кількість газу, що призводить до стрибка тиску на виході з редуктора .

З цієї причини газовий редуктор забезпечує стабільний тиск на виході в певному діапазоні між мінімальною і максимальною кількістю розхід газу, який і визначає рекомендовану потужність двигуна, під яку налаштований газовий редуктор.

Газовий редуктор для системи упорскування стисненого природного газу (метан) буде володіти рядом конструктивних відмінностей від редуктора, призначеного для змішувача системи. Першою відмінністю буде тиск на виході з редуктора. Якщо змішувальна система працює при тиску менше атмосферного на ефекті «висмоктування» газу з змішувача, то система уприскування газу працює за рахунок подачі дози газу під надлишковим тиском у впускний колектор двигуна. І вихідний тиск має бути вже не просто постійним, а перевищувати тиск у впускному колекторі на певне значення (умова коректної роботи системи упорскування газу, докладніше описано у відповідному розділі).

Перше і основне відміну газового редуктора для систем упорскування газу від редуктора для змішувача системи полягає у відсутності останнього ступеня, що пов'язано з відсутністю необхідності видавати тиск нижче атмосферного. З цієї причини наш редуктор для системи упорскування стисненого природного газу став двоступінчастим. Друга важлива відмінність в наявності штуцера №6 (Рис. 7) в останньому щаблі редуктора. Цей штуцер призначений для з'єднання «пружинної камери останнього ступеня з впускним колектором двигуна.

Під час роботи вихідний щаблі такого редуктора на мембрану з одного боку буде діяти сила створювана тиском газу в камері №5, а з іншого сумарна сила, що складається з зусилля створюваного пружиною №4 і зусилля створюваного тиском повітря в пружинної камері. Завдяки штуцерів №6, що дозволяє з'єднати впускний колектор із пружинним камерою вихідний ступені редуктора, тиск повітря в пружинної камері буде врівноважуватися з тиском повітря у впускному колекторі. Так як зусилля створюване пружиною постійно - тиск на виході з редуктора буде знаходитися в прямій залежності від тиску у впускному колекторі. Говорячи простіше, тиск газу на виході з такого редуктора буде вище тиску у впускному колекторі на постійну (настроюється регулювальним гвинтом) величину.

Завдяки тому, що дозуючим вузлом в системі уприскування газу є електромагнітні форсунки під керуванням Електронного Блоку Управління (ЕБУ) - незначні скачки тиску стають допустимими, так як електронна система управління, грунтуючись на вимірах тиску, повинна скоригувати час уприскування газу. Тому редуктора для систем упорскування газу практично не мають обмеження по мінімальній потужності двигуна. Редуктори для системи упорскування газу мають обмеження тільки максимальної потужності двигуна, яка в свою чергу залежить від максимальної пропускної здатності.

Відмінності у властивостях стисненого природного газу (метану) і скрапленого нафтового газу (Пропан-Бутану) вимагають різної конструкції газових редукторів. На відміну від метану - пропан бутан зберігатися в балоні в зрідженому стані і під набагато меншим тиском (він же закачаний в кишенькові запальнички) в середньому близько десяти бар. Завдяки більш низькому тиску газу редуктора для зрідженого нафтового газу мають меншу кількість ступенів. Фактично в відрізни від редукторів для стисненого природного газу - редуктора для зрідженого нафтового газу не мають першого ступеня (понижувальної тиск з 200 бар до приблизно 10 бар). Не можна також забувати, що пропан-бутан знаходиться в балоні в зрідженому стані, а після редуктора вже в газоподібному, що означає, що десь на шляху від балона до виходу з редуктора скраплений газ випаровується. Процес випаровування пов'язаний з поглинанням значної кількості тепла (набагато більшого, ніж при розширенні), іншими словами для того, що б газ випарувався і перейшов з рідкого стану в газоподібний - його необхідно нагріти. Говорячи простіше під час випаровування (скипання) газ буде сильно охолоджуватися і охолоджувати навколишні його матеріали. Для того, щоб забезпечити теплом процес випаровування великої кількості газу в газовому редукторі для пропан-бутану вмонтований потужний теплообмінник (камера обігріву), в якому відбувається передача тепла від охолоджувальної рідини двигуна до випаровується газу. Такий редуктор називається редуктор - випарник

Класичний редуктор випарник, для газо-паливної системи на основі змішувача, зображений на Рис. 8. Такий редуктор-випарник складається з: першого ступеня (де відбувається випаровування газу і зниження тиску до 1,6 бар вище атмосферного), теплообмінника (в якому Пропарений газ підігрівається охолоджувальною рідиною двигуна), другого ступеня редуктора (з якої надходить газ при абсолютному тиску близько 0,7 бар).

Як видно на схемі основними відмінностями редуктора, призначеного для роботи на зрідженому нафтовому газі, від аналогічного редуктора, призначеного для роботи на стиснутому природному газі, є менша кількість ступенів і набагато більш потужна система обігріву. Поступаючи в гарячий редуктор в рідкому вигляді газ потрапляє на клапан першого ступеня. Пройшовши через клапан в камеру першого ступеня через різке падіння тиску рідкий газ моментально випаровується. Далі Пропарений газ при тиску порядку 1,6 бар вище атмосферного надходить в камеру обігріву. Проходячи крізь камеру обігріву, температура газу піднімається (при роботі системи не бажано падіння температури газу на виході з редуктора нижче 10 ° С), після чого газ надходить у другу, останню сходинку редуктора, робота якої аналогічна роботі останнього ступеня аналогічного редуктора для стисненого природного газу .

Як и у редуктора для стисненого природного газу максимальна Потужність двигуна Фактично обмежена максимальна пропускна здатністю редуктора, а самє перетин каналів редуктора. На Відміну Від стисненого природного газу, Який при зніженні тиску та патенти злегка підігріті, зрідженій нафтовий газ при зніженні тиску нужно «вікіпятіть», для чого необходимо повідоміті Йому набагато більшу Кількість теплоти. З цієї причини у редуктора-випарника (на відміну від редуктора для стисненого газу) з'являється ще одне обмеження максимальної потужності двигуна - максимальна теплопередача. При недостатньо ефективній передачі тепла від охолоджувальної рідини двигуна до випаровування газу - температура газу на виході з редуктора знизиться нижче допустимого рівня. Зниження температури газу нижче певного рівня може призвести не тільки до нестабільного складу суміші і неякісній роботі двигуна, а й до обмерзання редуктора і виходу його з ладу. Велика пропускна здатність редуктора-випарника повинна бути «підкріплена» хорошою теплопередачей редуктора, інакше при великій витраті газу редуктор може обмерзнути прямо під час руху автомобіля. Причини обмеження мінімальної потужності мотора для роботи редуктора аналогічні причин обмеження мінімальної потужності редуктора для систем, що працюють на стиснутому газі.

Відмінності в конструкції редукторів-випарників для змішувача системи або системи упорскування аналогічні відмінностям в конструкції редукторів для таких систем, але для стисненого газу. Як і у редукторів для стисненого природного газу, у редуктора-випарника для системи упорскування зрідженого газу на один щабель менше, ніж у редуктора випарника для змішувача системи, тобто один щабель. У одноступенчатом редукторі-випарнику для систем упорскування газу теплообмінник, найчастіше, розташований після клапана, але бувають варіанти і з підігрівом скрапленого газу до потрапляння на клапан. Отже, розглянемо найбільш часто зустрічається конструкцію редуктора-випарника, зображеного на Рис. 9.

Як бачимо, редуктор складається з єдиною ступені, повністю аналогічної другого ступеня редуктора для вприскування стисненого газу, і камери обігріву газу.

Як і всім раніше описаним редукторів - цього редуктора-випарника властиво обмеження по потужності двигуна, пов'язане з максимальною пропускною здатністю. Як і для раніше описаного редуктора-випарника для роботи на зрідженому газі - цього редуктора-випарника також властиво обмеження максимальної потужності за можливостями теплопередачі між газом і рідиною, що охолоджує двигуна (щоб уникнути критичного падіння температури газу, що виходить і обмерзання редуктора). Як і у призначеного для системи упорскування метану редуктора у редуктора для вприскування пропан-бутану немає обмеження по мінімальній потужності двигуна.

Якщо підсумувати все вищенаписане, виходить, що незалежно від типу редуктора його завдання зводяться до того, щоб подавати газове паливо зі стабільним тиском і прийнятною температурою. По суті якщо з двома цими функціями редуктор справляється нормально, значить, підібраний він вірно.

Для забезпечення безпеки перед попаданням газу на клапан першого ступеня встановлено замикає електромагнітний клапан. Цей клапан призначений для перекриття подачі газу при вимкненому запаленні або коли автомобіль експлуатується на бензині. Такий клапан може бути реалізований окремо, або інтегрований в редуктор. Цього достатньо для забезпечення безпеки в системах упорскування газу, так як там роботою клапана управляє електронний контролер, і клапан буде відкритий тільки під час роботи автомобіля на газі. На жаль, в системах подачі газу на основі змішувача, як правило, немає контролера, що робить можливим утримання клапана у відкритому положенні при включеному запалюванні, але не запущеному двигуні. Для запобігання виходу газу з редуктора в такому випадку в ранніх редукторах застосовувався вакуумний замикає клапан. Цей клапан трубкою підключався до впускного колектора двигуна і закривався, якщо тиск у впускному колекторі досягало одного бару, чого неможливо досягти при роботі карбюраторного атмосферного двигуна. При роботі деяких двигунів з уприскуванням бензину можливе виникнення у впускному колекторі тиску рівного атмосферного (1 бар) або навіть вище (якщо є система надування). Для роботи з цими двигунами застосовувати редуктори з вакуумним замикаючим клапаном небажано, так як можливо замикання клапана при роботі в певних потужних режимах. Для таких автомобілів застосовуються редуктори з електронним управлінням замикаючим клапаном. Фактично функції вакуумного управління клапаном були перекладені на кнопку перемикач режимів. Для цього перемикач додатково підключається до керуючого проводу котушки запалювання і закриває електромагнітний клапан, якщо на керуючому дроті немає імпульсів (двигун не працює).