Системы питания газобаллонных двигателей делятся на несколько основных групп:

- двухтопливные с искровым воспламенением, с системой питания, позволяющей эксплуатировать машину и на газе, и на жидком топливе;
- бинарные, работающие одновременно на смеси альтернативного топлива (пропан-бутана, метана, диметилэфира, метилэфира, растительного масла) и нефтяного топлива (бензина или дизельного топлива);
- газожидкостные, для которых основным видом топлива является газ, а для воспламенения используется жидкое топливо, впрыскиваемое в конце такта сжатия;
- однотопливные у которых топливом является только альтернативный вид топлива.

В некоторых системах питания предусмотрена резервная система питания на бензине для пуска двигателя при низких температурах, для пуска и движения в закрытых помещениях, а также позволяющая при необходимости доехать с невысокой скоростью до газозаправочной колонки или до станции техобслуживания. В настоящее время выпускают большое число моделей газобаллонной аппаратуры для работы и на пропан-бутане, и на метане. Так, автомобили и автобусы ГАЗ, УАЗ, ВАЗ, ПАЗ, КамАЗ оборудуют газовой аппаратурой «САГА-6» (для пропан-бутана) и «САГА-7» (для метана).

Системы питания на сжиженном газе нефтяного происхождения – пропан-бутане. В газовых баллонах систем питания сжиженным нефтяным газом (СНГ) топливо находится одновременно в двух агрегатных состояниях – в жидкой и газообразной фазах. В блоке арматуры газового баллона автомобилей установлены наполнительный вентиль, расходные вентили для газообразной и жидкой фаз, предохранительный клапан, вентиль максимального уровня, датчик указателя уровня СНГ и трубка для отвода газа за пределы салона.

Наполнительное устройство имеет обратный клапан и фильтр. Расходный вентиль имеет скоростной клапан, ограничивающий выход газа из баллона в случае обрыва трубопровода. На щитке приборов в кабине водителя расположены указатель уровня жидкой фазы газа в баллоне и указатель давления газа в первой ступени редуктора.

Системы питания на сжатом природном газе (метане). При использовании сжатого природного газа система питания содержит от двух баллонов (автомобили ГАЗ) до десяти (автомобили КамАЗ). Метан легче воздуха, поэтому на автобусах обычно баллоны устанавливают на крыше: даже в случае утечки газ будет подниматься вверх, не создавая пожароопасной ситуации, на грузовых автомобилях – под кузовом, на легковых – в багажнике. Система питания с подачей газа через смеситель содержит редуктор высокого давления, фильтр, клапан электромагнитный, редуктор-испаритель, манометр, электронный блок управления.

Системы питания с впрыскиванием природного газа (сжатого) или нефтяного газа (сжиженного) и бензина. В двигателях с распределенным впрыском бензина при переходе на подачу газа через смесительное устройство сохраняются недостатки карбюраторной системы питания (дополнительное сопротивление в смесителе газа, сложность регулирования состава смеси и др.). В системах зажигания с двухискровыми катушками зажигания при «сбоях» в зажигании или нарушении герметичности клапанов происходит воспламенение газовоздушного заряда во впускном коллекторе. Чтобы исключить эти недостатки, применяют микропроцессорные системы дозированной подачи газа во впускные каналы через газовые форсунки с электромагнитным управлением с обратной связью от кислородного датчика.

Максимальный расход сжиженного нефтяного газа – 30 м³/ч. Время открытия форсунки – до 1,0 мс, время закрытия – до 1,2 мс.

Газодизельные системы питания. Разработаны различные системы питания, обеспечивающие возможность работы двигателя и на смеси дизельного топлива и сжатого природного газа, и только на дизельном топливе. Преимуществами этих систем являются сохранение ресурсов дизтоплива и снижение дымности выхлопа в 3-5 раз, что особенно важно для автобусов и автомобилей, эксплуатирующихся в городах.

Вместимость баллона – 50 л, масса – 62 кг, объем заправленного газа, приведенного к нормальным условиям, в среднем принимается (для каждого баллона) 10 м³. Сжатый газ из баллонов через магистральный вентиль поступает в подогреватель, где нагревается за счет тепла охлаждающей жидкости двигателя. Подогреватель выполнен в виде отдельного узла. Из подогревателя газ поступает в редуктор высокого давления, где его давление снижается до 0,95-1,1 МПа. Дальше газ через электромагнитный клапан с фильтром поступает в двухступенчатый редуктор низкого давления и затем через дозатор газа в смеситель. В смесителе газ смешивается с воздухом, поступающим из воздушного фильтра. Образовавшаяся газовоздушная смесь поступает в цилиндры двигателя, сжимается поршнем, а в конце такта сжатия (с небольшим опережением) в нее впрыскивается через серийную дизельную форсунку запальная доза дизельного топлива. Электрооборудование дизелей работает при напряжении 24 В, поэтому для микропроцессорной системы управления предусмотрена своя электрическая сеть на 12 В. Во время работы на метане при составе газовоздушной смеси a<2 повышается температура самовоспламенения. В системе питания газодизельного двигателя предусмотрен датчик (выключатель) блокировки, исключающий одновременную подачу газа и неограниченной (полной) дозы дизельного топлива.

Система питания по газодизельному циклу имеет следующие недостатки: увеличивается стоимость системы топливоподачи, управление запальной дозой дизельного топлива и подачей газа при различных нагрузках сложное, неравномерное распределение смеси по цилиндрам, потери газа во время продувки во время перекрытия клапанов. Последние три недостатка удается устранить, применяя распределенное фазированное впрыскивание газа после закрытия выпускных клапанов форсунками. При работе на СНГ температура самовоспламенения падает, что приводит к преждевременному воспламенению. На 7-10% повышается тепловая нагрузка на поршень, что ограничивает форсирование двигателя. Увеличивается выброс СО примерно в 2 раза, СН в 4 раза и оксидов азота на 30%. Повышается неравномерность распределения смеси по цилиндрам.

Газовая топливная система питания грузовых автомобилей обычно состоит из восьми или десяти баллонов высокого давления, соединенных между собой стальными толстостенными бесшовными трубками. Для повышения безопасности баллоны разделены на две секции. Каждая секция имеет свой расходный вентиль. Заполнение баллонов газом производится через наполнительный вентиль. На грузовых автомобилях баллоны располагаются под кузовом, на тракторах – на крыше или между задними колесами.

Системы питания на газе в сжиженном состоянии. Разработаны системы питания на сжиженных газах: природном газе (ПГС) и диметилэфире (ДМЭ). Масса системы хранения природного газа на автомобиле может быть существенно снижена за счет перевода его в жидкое состояние при температуре –162 °С в специальных криогенных баках из нержавеющей стали или алюминиевых сплавов с многослойной теплоизоляцией. Из пространства между стенками сосудов откачивается воздух.

Криогенная система по сравнению с системами, рассмотренными выше, имеет меньшие габаритные размеры и массу, способна хранить больше энергии и может обеспечить автомобилю технико-экономические показатели, лишь немного уступающие бензиновому варианту. Однако криогенные системы сложны, стоимость их изготовления высокая, они трудоемки в обслуживании и менее надежны в эксплуатации. При длительном хранении газ нагревается, давление в баллоне повышается, и потому в целях безопасности газ приходится стравливать в атмосферу.

Природный газ из газового топливопровода поступает в компрессорное отделение, сжимается до давления 20 МПа, очищается от масла, влаги, углекислоты, охлаждается в теплообменниках и затем сжижается. Также в системе предусмотрена возможность заправки автомобилей компримированным (сжатым) топливом.

Газовые баллоны. Существует два типа газовых баллонов для систем питания на сжиженном газе: цилиндрические и торосферические (по форме запасного колеса). Цилиндрические баллоны выполняются из листовой углеродистой стали сварными с продольным швом.Фирма Stako S.C. (Польша) выпускает около 40 вариантов как цилиндрических, так и торосферических баллонов для сжиженного газа. Вместимость цилиндрических баллонов – от 50 до 230 л, торосферических – от 40 до 95 л.

Грузовые автомобили оборудуются баллонами вместимостью от 115 до 274 л. На автобусы ПАЗ-3205 ставят по два баллона AD360/70. Фирма Mobil Gaz System (Пенза и Саранск) использует также цилиндрические баллоны фирмы Stako S.C. (Польша) вместимостью от 50 до 230 л и торосферические – от 34 до 95 л (для установки вместо запасного колеса). Существует много систем, выпускаемых другими производителями.

В настоящее время на автомобильном транспорте находят применение газобаллонные установки для работы на сжатом газе низкого и среднего давления от 1,2 до 5,0 МПа. Такие газобаллонные установки применяются в основном для городских автобусов, работающих на коротких маршрутах. Газобаллонные установки высокого давления, до 20 МПа, позволяют существенно увеличить пробег между заправками, но при этом намного возрастает масса баллонов, снижая полезную нагрузку автомобиля. Масса металлопластиковых баллонов для сжатого газа находится в пределах 21,4-33,5 кг при вместимости 34,4-51 л соответственно. Масса баллона на 50 л, выполненного из легированной стали, увеличивается до 60 кг.

Фильтр и редуктор высокого давления. Из баллона сжатый газ поступает в фильтр высокого давления. После фильтра устанавливают манометр и электромагнитный газовый клапан высокого давления. В редукторе высокого давления давление газа снижается с 19,6 до 0,6-1,1 МПа. К штуцерам редуктора для подогрева газа подводится жидкость из системы охлаждения двигателя. Дальше газ через клапан низкого давления поступает в газовый редуктор низкого давления и затем в смеситель.

Испарители, редукторы низкого давления и смесители. Их конструкция для пропан-бутана и метана аналогична. Редуктор-испаритель РГ-004 01 аналогичен по конструкции редукторам, применяемым в системах питания СНГ.

Подогрев осуществляется жидкостью из системы охлаждения двигателя, поступающей в полость Б. При переходе на питание газом напряжение сети подается в обмотку электромагнитного клапана 5, клапан открывается, и газ поступает в полость Д, давление в которой (0,04 ±0,002 МПа) определяется системой «клапан первой ступени 6 – мембрана 7 – торсионная пружина – упорный регулировочный винт». Испарившийся газ через клапан, управляемый рычагом 3 и диафрагмой второй ступени, поступает в полость В, в которой поддерживается давление +5-–10 мм вод. ст., и далее по трубке в смеситель. В редукторе расположен винт регулировки подачи газа на холостом ходу.

Газовые смесители. Газовый смеситель главной дозирующей системы имеет отверстия по окружности диффузора или кольцевую щель, через которую газ подается в смесительную камеру. Его можно устанавливать между воздушным фильтром и входным патрубком карбюратора.

На частичных нагрузках из кольцевого сечения смесителя газ с высокой скоростью проходит через щель приоткрытой дроссельной заслонки, что обеспечивает хорошее перемешивание его с воздухом. На полных нагрузках обогащение смеси осуществляется экономайзером, имеющим регулировочный винт для коррекции состава смеси.

Микропроцессорная система управления впрыском обеспечивает переключение режима работы (газ/бензин) без выработки бензина, оптимальные углы опережения зажигания, экономию газа до 20%, диагностику состояния компонентов двухтопливной системы. Давление газа устанавливается электроуправляемым (безмембранным) газовым редуктором с регулируемым давлением в диапазоне 0,25-1,0 МПа. На входе в него поддерживается давление около 1,2 МПа с помощью редуктора высокого давления.

Широкое распространение в Украине получила продукция ряда итальянских фирм. Компании Landi Renzo и OMVL производят несколько вариантов систем впрыска для 4-, 6- и 8-цилиндровых двигателей мощностью от 75 до 250 л.с. с самодиагностикой ОВD и уровнем токсичности Еurо 3 и Еurо 4. Кроме того, эти же компании и компании Lovato, Voltran (для фирмы ITALGAS) выпускают много вариантов как вакуумных, так и электроприводных редукторов для впрысковых и карбюраторных двигателей.

Конвертирование дизельных двигателей на газовое топливо. При конвертировании дизельных двигателей на газовое топливо вместо дизельной аппаратуры для воспламенения газовоздушной смеси устанавливают систему зажигания, аналогичную системе бензинового двигателя. Степень сжатия снижается до 11-12. Преимуществом двигателей, конвертированных на газовое топливо, является существенное снижение их стоимости за счет замены дорогостоящей дизельной аппаратуры на систему зажигания от свечи.

При этом достигается экономия дизельного топлива, исключается выброс сажи и твердых частиц, появляется возможность применить обычный, трехкомпонентный нейтрализатор с обратной связью от кислородного датчика для снижения выброса СО, СН и оксидов азота, снизить жесткость работы и уровень шума. К числу проявляющихся недостатков относятся проблемы, связанные с необходимостью повысить пробивное напряжение системы зажигания, применять «холодные» свечи зажигания и обеспечить их ресурс из-за высокой степени сжатия. Увеличивается неравномерность распределения смеси по цилиндрам, повышается тепловая нагрузка на поршень, что ограничивает форсирование двигателя. Ряд недостатков удается устранить, применив распределенный фазированный впрыск газа после закрытия выпускных клапанов.

Одним из вариантов применения системы питания с впрыском природного газа является газовый двигатель КамАЗ для автобусов и коммунальной техники модели Э 820.01-200, выполненный на базе дизеля 740.50-320 (рабочий объем цилиндров 11,75 л). В двигателе вместо форсунок установлены искровые свечи зажигания, изменены поршни с целью снижения степени сжатия до 12,2. Двигатель оборудован системой распределенного впрыска газа через форсунки с электромагнитным дозирующим устройством.

Микропроцессорная система управления обеспечивает регулировку расхода газа за счет изменения давления перед форсунками, регулировку количества воздуха дроссельной заслонкой с электроприводом от «электронной» педали акселератора, управление углом опережения зажигания, поддержание заданной скорости автомобиля, ограничение крутящего момента на ведущих колесах автомобиля, самодиагностику, защиту двигателя от аварийных режимов.

Переоборудование бензиновых двигателей «на газ». Учитывая, что скорость сгорания газовых смесей ниже, чем бензовоздушных, в системе зажигания должно быть предусмотрено два варианта характеристик угла опережения зажигания для бензина и для газа. Это достигается применением электронных систем управления.

При переводе двигателя на питание пропан-бутаном обычно требуется повысить напряжение системы зажигания в среднем на 20-40% при равных искровых промежутках. Рекомендуется уменьшить зазор между контактами свечей на 20-40%. Кроме того, на 80-90 °С повышается температура наконечника изолятора свечи, поэтому для газовых двигателей выпускают специальные свечи с более длинным серебряным центральным электродом, что обеспечивает высокую стабильность системы зажигания в процессе эксплуатации. Эти свечи можно использовать и при работе на бензине.