Газовый редуктор — устройство для понижения и автоматического поддержания давления газа на выходе не зависимо от давления на входе и количества пропускаемого газа.

Несмотря на простоту выполняемой газовым редуктором задачи он является, одним из самых противоречивых элементов газотопливной системы автомобиля. С газовыми редукторами, их характеристиками и влиянием на работу системы связано наибольшее число мифов, домыслов и поверий. Так давайте же разберемся в принципе действия газового редуктора, в классификации редукторов и особенностях конструкции газовых редукторов разных типов.

В основном, применяемые на автомобилях, газовые редуктора делятся на несколько типов в зависимости от типа газа, для работы с которым они предназначены и от метода подачи газа в двигатель (смесительная либо впрысковая система). Различное назначение обуславливает различные конструктивные особенности, например количество ступеней редуктора. Так же встречаются различные конструкции клапанов, используемых для дозировки газа внутри редуктора. На Рис. 1 схематически изображены оба типа клапанов, применяемых в редукторах.

На первой иллюстрации показана классическая конструкция «рычажного» типа, где стрелками красного цвета обозначены направления движения рычагов механизма при работе редуктора. На второй иллюстрации изображена конструкция «игольчатого» типа. Как видно на рисунке – конструкция клапана «игольчатого» типа является более легкой и миниатюрной, что положительно сказывается на максимальной пропускной способности редуктора при минимальных размерах. Как правило, редуктора с клапанами такого типа обеспечивают очень высокие мощностные показатели при очень малых размерах. Есть у редукторов с клапанами «игольчатого» типа и свои недостатки. Изготовление игольчатого клапана требует более высокой точности, что обуславливает немного более высокую цену таких редукторов, а также несколько более высокую чувствительность к наличию механических примесей в топливе.

После определения метода подачи газа в двигатель и типа используемого топлива — основным критерием грамотного подбора газового редуктора к автомобилю является мощность двигателя и средний расход топлива. Газовые редуктора для смесительных систем подачи газа рекомендуется подбирать в соответствии с рекомендуемой заводом ориентировочной мощностью двигателя. У редукторов для систем впрыска газа завод указывает в описании уже не рекомендуемую мощность, а максимальную. По этой причине желательно подбирать редуктор для системы впрыска газа с небольшим запасом, а для автомобилей с большим расходом топлива (внедорожники, микроавтобусы и т.д.) рекомендуется подбирать газовый редуктор со значительным запасом производительности.

Так разберемся все же, как работает газовый редуктор и в чем отличие разных типов газовых редукторов. В качестве примера простейшего редуктора рассмотрим бытовой редуктор (Рис 2), применяемый на бытовых баллонах, например для подключения газовой плиты.

Рассмотрим конструкцию этого редуктора с помощью схемы на (рис.3):

В процессе работы данного редуктора (на рис. 3) во входной штуцер №1 подается газ из баллона под высоким давлением и попадает, связанный с мембраной №4 клапан №2. В зависимости от положения мембраны клапан открывается и закрывается, регулируя подачу газа в рабочую камеру №5 редуктора. На мембрану №4 с одной стороны действует сила создаваемая давлением газа, а с другой стороны сила, состоящая из усилия пружины №6 и давления воздуха (поступающего через отверстие в верхней крышке). В случае если усилие оказываемое давлением газа на мембрану №4 окажется больше усилия создаваемого пружиной №6 и давлением воздуха — мембрана №4 переместится вверх и с помощью рычага №3 закроет входной клапан №2. По мере расхода газа давление в нижней камере редуктора будет снижаться, что приведет к тому, что усилие создаваемое пружиной №6 и воздухом окажется выше, чем усилие создаваемое давлением газа. Под действием разницы этих сил мембрана №4 начнет перемещаться вниз и с помощью рычага №3 откроет входной клапан №2, что позволит поступить в рабочую камеру №5 новой порции газа. Поступление новой порции газа приведет к увеличению давления в камере №5 и, как следствие, закрытию входного клапана №2. Таким образом, давление газа на выходе из редуктора будет удерживаться на уровне заданном усилием пружины, не зависимо от давления на входе и количества пропускаемого газа.

Необходимо отметить, что выходной канал простейшего редуктора будет иметь большее сечение, чем входной, для того, чтобы пропустить то же количество газа, но при меньшем давлении.

Такой простейший одноступенчатый редуктор подходит для снижения давления газа в несколько раз, обеспечивает невысокую стабильность давления газа на выходе и не способен выдавать давление ниже атмосферного. По сути, максимальным перепадом давления на одноступенчатом редукторе будет перепад, при котором усилия прилагаемого давлением газа в камере №5 на мембрану №4 будет недостаточно для удержания клапана №2 в закрытом состоянии. Также, чем выше перепад давления, тем сильнее будет пульсировать давление при работе редуктора.

Так как, по сути, давление газа на выходе из редуктора задается усилием пружины. Изменяя усилие пружины можно настраивать давление на выходе из редуктора. Для изменения усилия пружины в определенном диапазоне достаточно создать ей предварительное натяжение, например, предварительно сжать ее регулировочным винтом, как показано на Рис. 4.

Для снижения выходного давления ниже величины атмосферного давления необходимо изменить конструкцию редуктора и перенести пружину, как показано на Рис.5.

В процессе работы данного редуктора (на рис. 5) во входной штуцер №1 подается газ с давлением выше атмосферного и попадает, связанный с мембраной №4 клапан №2. В зависимости от положения мембраны клапан открывается и закрывается, регулируя подачу газа в рабочую камеру №5 редуктора. В отличии от ранее описанного простейшего редуктора в этом редукторе на мембрану №4 с одной стороны действует суммарная сила, состоящая из усилия пружины №6 и силы создаваемой давлением газа в камере №5, а с другой стороны сила создаваемая давлением воздуха (поступающего через отверстие в верхней крышке). В случае если сумма сил в камере №5 окажется больше чем сила создаваемая давлением воздуха — мембрана №4 переместится вверх и с помощью рычага №3 закроет входной клапан №2. По мере расхода газа давление в нижней камере редуктора будет снижаться, что приведет к тому, что усилие создаваемое воздухом окажется выше, чем усилие создаваемое давлением газа и пружиной №6. Под действием разницы этих сил мембрана №4 начнет перемещаться вниз и откроет входной клапан №2 с помощью рычага №3, что позволит поступить в рабочую камеру №5 новой порции газа. Поступление новой порции газа приведет к увеличению давления в камере №5 и, как следствие, закрытию входного клапана №2. Таким образом, давление газа на выходе из редуктора будет удерживаться на уровне заданном усилием пружины, не зависимо от давления на входе и количества пропускаемого газа.

Как и в предыдущем случае, создание предварительного натяжения пружины с помощью регулировочного винта позволит регулировать давление газа на выходе из редуктора.

Попытаемся создать автомобильный газовый редуктор для работы на сжатом природном газе (Метан). В автомобильных баллонах для сжатого природного газа метан содержится под давлением 200 бар, а в смеситель необходимо подавать давление около 0,7 бар, да еще и иметь возможность регулировать давление газа на выходе. Для столь значительного снижения давления газа желательно применить две ступени работающих с давлением выше атмосферного и одну выходную ступень, работающую с давлением ниже атмосферного. Схематически наш редуктор будет выглядеть, как показано на Рис. 6.

Не стоит забывать, что при сжатии газ нагревается, а при расширении остывает, что может привести к постепенному снижению температуры не только газа на выходе из редуктора, но и самого корпуса редуктора. Критическое обморожение может привести к заклиниванию и поломке редуктора. Для того, чтобы избежать обмерзания немного подогреем корпус редуктора, с помощью горячей охлаждающей жидкости двигателя. Как правило, система обогрева метанового редуктора это небольшой теплообменник, установленный на входе газа в редуктор и слегка подогревающий проходящий газ, а также и корпус редуктора.

Итак, поступающий в редуктор под давлением до 200 бар газ будет предварительно подогреваться в простеньком теплообменнике на входе, откуда поступит в первую камеру редуктора. Первая камера редуктора, действуя по принципу простейшего газового редуктора, понизит давление газа с 200 бар до приблизительно 10 бар. Из первой камеры газ по внутреннему каналу газ поступит во вторую камеру, где давление снизится с 10 бар до 1.6 бар. И в конце газ поступит в последнюю камеру, конструкция которой слегка отличается, так как она понизит давление с 1,6 бар до 0,7 бар (что ниже атмосферного). Последняя ступень (камера) редуктора дополнительно оборудована регулировочным винтом для точной настройки давления газа на выходе.

Пропорционально уменьшению давления газа в ступенях уменьшается его плотность, таким образом, одно и то же количество газа (масса) до и после ступени будет занимать различный объем. При неизменном количестве и температуре газа при понижении давления объём газа вырастет во столько же раз, во сколько снизится давление. Этим обуславливается пошаговое увеличение не только сечений каналов редуктора, но и объёмов камер по мере снижения давления.

При данной конструкции редуктора и при условии номинального давления на входе в редуктор максимальная пропускная способность будет ограничиваться только пропускной способностью каналов и клапанов. По этой причине будем считать пропускной способностью редуктора максимальное количество газа пропускаемого сквозь редуктор, при прохождении которого давление на выходе из редуктора не упадет ниже значения заданного настроечным винтом. Другими словами все клапана уже находятся в открытом состоянии, но расход газа настолько велик, что давление газа на выходе из редуктора всё равно ниже заданного.

Но чрезмерно увеличивать пропускную способность редуктора также недопустимо из-за снижения стабильности выходного давления при пропускании малого количества газа. На практике получается, что за период времени, требуемый для выполнения операции открытия и закрытия механизмом (состоящим из клапана, рычага, мембраны и пружины) в камеру через канал слишком большого сечения попадает слишком большое количество газа, что приводит к скачку давления на выходе из редуктора.

По этой причине газовый редуктор обеспечивает стабильное давление на выходе в определенном диапазоне между минимальным и максимальным количеством пропускаемого газа, который и определяет рекомендуемую мощность двигателя, под которую настроен газовый редуктор.

Газовый редуктор для системы впрыска сжатого природного газа (Метан) будет обладать рядом конструктивных отличий от редуктора, предназначенного для смесительной системы. Первым отличием будет давление на выходе из редуктора. Если смесительная система работает при давлении меньше атмосферного на эффекте «высасывания» газа из смесителя, то система впрыска газа работает за счет подачи дозы газа под избыточным давлением во впускной коллектор двигателя. И выходное давление должно быть уже не просто постоянным, а превышать давление во впускном коллекторе на определенное значение (условие корректной работы системы впрыска газа, подробнее описано в соответствующем разделе).

Первое и основное отличие газового редуктора для систем впрыска газа от редуктора для смесительной системы заключается в отсутствии последней ступени, что связано с отсутствием необходимости выдавать давление ниже атмосферного. По этой причине наш редуктор для системы впрыска сжатого природного газа стал двухступенчатым. Второе важное отличие в наличии штуцера №6 (Рис. 7) в последней ступени редуктора. Этот штуцер предназначен для соединения «пружинной камеры последней ступени с впускным коллектором двигателя.

Во время работы выходной ступени такого редуктора на мембрану с одной стороны будет действовать сила создаваемая давлением газа в камере №5, а с другой суммарная сила, состоящая из усилия создаваемого пружиной №4 и усилия создаваемого давлением воздуха в пружинной камере. Благодаря Штуцеру №6, позволяющему соединить впускной коллектор с пружинной камерой выходной ступени редуктора, давление воздуха в пружинной камере будет уравниваться с давлением воздуха во впускном коллекторе. Так как усилие создаваемое пружиной постоянно — давление на выходе из редуктора будет находиться в прямой зависимости от давления во впускном коллекторе. Говоря проще, давление газа на выходе из такого редуктора будет выше давления во впускном коллекторе на постоянную (настраиваемую регулировочным винтом) величину.

Благодаря тому, что дозирующим узлом в системе впрыска газа являются электромагнитные форсунки под управлением Электронного Блока Управления (ЭБУ) — незначительные скачки давления становятся допустимыми, так как электронная система управления, основываясь на замерах давления, должна скорректировать время впрыска газа. Поэтому редуктора для систем впрыска газа практически не имеют ограничения по минимальной мощности двигателя. Редукторы для системы впрыска газа имеют ограничение только максимальной мощности двигателя, которая в свою очередь зависит от максимальной пропускной способности.

Различия в свойствах сжатого природного газа (Метана) и сжиженного нефтяного газа (Пропан-Бутана) требуют различной конструкции газовых редукторов. В отличие от метана — пропан бутан храниться в баллоне в сжиженном состоянии и под гораздо меньшим давлением (он же закачан в карманные зажигалки) в среднем порядка десяти бар. Благодаря более низкому давлению газа редуктора для сжиженного нефтяного газа имеют меньшее количество ступеней. Фактически в отличи от редукторов для сжатого природного газа — редуктора для сжиженного нефтяного газа не имеют первой ступени (понижающей давление с 200 бар до приблизительно 10 бар). Нельзя также забывать, что пропан-бутан находится в баллоне в сжиженном состоянии, а после редуктора уже в газообразном, что означает, что где-то на пути от баллона до выхода из редуктора сжиженный газ испаряется. Процесс испарения связан с поглощением значительного количества тепла (гораздо большего, чем при расширении), другими словами для того, что бы газ испарился и перешел из жидкого состояния в газообразное — его необходимо нагреть. Говоря проще во время испарения (вскипания) газ будет сильно охлаждаться и охлаждать окружающие его материалы. Для того, чтобы обеспечить теплом процесс испарения большого количества газа в газовом редукторе для пропан-бутана вмонтирован мощный теплообменник (камера обогрева), в котором происходит передача тепла от охлаждающей жидкости двигателя к испаряемому газу. Такой редуктор называется редуктор – испаритель

Классический редуктор испаритель, для газо-топливной системы на основе смесителя, изображен на Рис. 8. Такой редуктор-испаритель состоит из: первой ступени (где происходит испарение газа и снижение давления до 1,6 бар выше атмосферного), теплообменника (в котором испаренный газ подогревается охлаждающей жидкостью двигателя), второй ступени редуктора (из которой поступает газ при абсолютном давлении около 0,7 бар).

Как видно на схеме основными отличиями редуктора, предназначенного для работы на сжиженном нефтяном газе, от аналогичного редуктора, предназначенного для работы на сжатом природном газе, является меньшее количество ступеней и гораздо более мощная система обогрева. Поступая в горячий редуктор в жидком виде газ попадает на клапан первой ступени. Пройдя через клапан в камеру первой ступени из-за резкого падения давления жидкий газ моментально испаряется. Далее испаренный газ при давлении порядка 1,6 бар выше атмосферного поступает в камеру обогрева. Проходя сквозь камеру обогрева, температура газа поднимается (при работе системы не желательно падение температуры газа на выходе из редуктора ниже 10°С), после чего газ поступает во вторую, последнюю ступень редуктора, работа которой аналогична работе последней ступени аналогичного редуктора для сжатого природного газа.

Как и у редуктора для сжатого природного газа максимальная мощность двигателя фактически ограничена максимальной пропускной способностью редуктора, а именно сечением каналов редуктора. В отличие от сжатого природного газа, который при снижении давления необходимо слегка подогреть, сжиженный нефтяной газ при снижении давления нужно «выкипятить», для чего необходимо сообщить ему гораздо большее количество теплоты. По этой причине у редуктора-испарителя (в отличие от редуктора для сжатого газа) появляется еще одно ограничение максимальной мощности двигателя – максимальная теплопередача. При недостаточно эффективной передаче тепла от охлаждающей жидкости двигателя к испаренному газу – температура газа на выходе из редуктора снизится ниже допустимого уровня. Снижение температуры газа ниже определенного уровня может привести не только к нестабильному составу смеси и некачественной работе двигателя, а и к обмерзанию редуктора и выходу его из строя. Большая пропускная способность редуктора-испарителя должна быть «подкреплена» хорошей теплопередачей редуктора, иначе при большом расходе газа редуктор может обмерзнуть прямо во время движения автомобиля. Причины ограничения минимальной мощности мотора для работы редуктора аналогичны причинам ограничения минимальной мощности редуктора для систем, работающих на сжатом газе.

Различия в конструкции редукторов-испарителей для смесительной системы или системы впрыска аналогичны различиям в конструкции редукторов для таких систем, но для сжатого газа. Как и у редукторов для сжатого природного газа, у редуктора-испарителя для системы впрыска сжиженного газа на одну ступень меньше, чем у редуктора испарителя для смесительной системы, то есть одна ступень. В одноступенчатом редукторе-испарителе для систем впрыска газа теплообменник, чаще всего, расположен после клапана, но бывают варианты и с подогревом сжиженного газа до попадания на клапан. Итак, рассмотрим наиболее часто встречающуюся конструкцию редуктора-испарителя, изображенного на Рис. 9.

Как видим, редуктор состоит из единственной ступени, полностью аналогичной второй ступени редуктора для впрыска сжатого газа, и камеры обогрева газа.

Как и всем ранее описанным редукторам – этому редуктору-испарителю свойственно ограничение по мощности двигателя, связанное с максимальной пропускной способностью. Как и для ранее описанного редуктора-испарителя для работы на сжиженном газе – этому редуктору-испарителю также свойственно ограничение максимальной мощности по возможностям теплопередачи между газом и охлаждающей жидкостью двигателя (чтобы избежать критического падения температуры выходящего газа и обмерзания редуктора). Как и у предназначенного для системы впрыска метана редуктора у редуктора для впрыска пропан-бутана нет ограничения по минимальной мощности двигателя.

Если подытожить все вышенаписанное, выходит, что независимо от типа редуктора его задачи сводятся к тому, чтобы подавать газовое топливо со стабильным давлением и приемлемой температурой. По сути если с двумя этими функциями редуктор справляется нормально, значит, подобран он верно.

Для обеспечения безопасности перед попаданием газа на клапан первой ступени установлен запирающий электромагнитный клапан. Этот клапан предназначен для перекрытия подачи газа при выключенном зажигании или когда автомобиль эксплуатируется на бензине. Такой клапан может быть реализован отдельно, либо интегрирован в редуктор. Этого достаточно для обеспечения безопасности в системах впрыска газа, так как там работой клапана управляет электронный контроллер, и клапан будет открыт только при работе автомобиля на газе. К сожалению, в системах подачи газа на основе смесителя, как правило, нет контроллера, что делает возможным удержание клапана в открытом положении при включенном зажигании, но не запущенном двигателе. Для предотвращения выхода газа из редуктора в таком случае в ранних редукторах применялся вакуумный запирающий клапан. Этот клапан трубкой подключался к впускному коллектору двигателя и закрывался, если давление во впускном коллекторе достигало одного бара, чего невозможно достичь при работе карбюраторного атмосферного двигателя. При работе некоторых двигателей с впрыском бензина возможно возникновение во впускном коллекторе давления равного атмосферному (1 бар) или даже выше (если имеется система надува). Для работы с этими двигателями применять редукторы с вакуумным запирающим клапаном нежелательно, так как возможно запирание клапана при работе в определенных мощностных режимах. Для таких автомобилей применяются редукторы с электронным управлением запирающим клапаном. Фактически функции вакуумного управления клапаном были переложены на кнопку переключатель режимов. Для этого переключатель дополнительно подключается к управляющему проводу катушки зажигания и закрывает электромагнитный клапан, если на управляющем проводе нет импульсов (двигатель не работает).