Система питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газовым топливом

Авторы патента:

F02M21/02 - газообразным топливом (устройства для испарения топлива путем подогрева F02M 31/00; двигатели с устройствами, генерирующими газ из твердого топлива, например из дерева F02B 43/08)

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к системам питания двигателей внутреннего сгорания газовым топливом.

Система питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газовым топливом включает резервуар для хранения сжиженного газового топлива, топливную магистраль высокого давления, подключенную к резервуару хранения сжиженного газового топлива, редуктор, подключенный к топливной магистрали высокого давления, топливную магистраль низкого давления, подключенную к редуктору, и по меньшей мере одну форсунку для подачи сжиженного газового топлива, установленную на входе во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания, при этом система включает топливораздаточный коллектор содержащий смежные между собой основную и дополнительную камеры, при этом вход основной камеры подключен к магистрали низкого давления, а выход сообщается со впускным коллектором двигателя внутреннего сгорания посредством указанной по меньшей мере одной форсунки, а вход дополнительной камеры подключен к резервуару для хранения сжиженного газового топлива посредством магистрали высокого давления через по меньшей мере одну форсунку, установленную на входе в дополнительную камеру, а выход сообщается со впускным коллектором двигателя.

Таким образом, заявляемая полезная модель представляет собой систему питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газовым топливом, которая обеспечивает стабильную подачу газового топлива во впускной коллектор двигателя в сжиженной фазе, при этом конструктивное исполнение системы характеризуется простотой, высокой надежностью и безопасностью, что обуславливает экономическую целесообразность ее широкого внедрения.

Известны системы впрыска газового топлива в двигатель внутреннего сгорания, разработанные компанией «ГИТ Инжиниринг» (Интернет-источник: www.gigauto.ru). В указанных системах газовое топливо храниться в сжиженном состоянии в газовом баллоне и подается из него во впускной коллектор двигателя, проходя в топливной магистрали через топливный фильтр, испаритель газа, газовый редуктор к электромагнитной форсунке, посредством которой осуществляется подача топлива во впускной коллектор двигателя. В испарителе, подогреваемом при помощи жидкости из системы охлаждения двигателя, газовое топливо переводится из жидкого состояния в газообразное. Далее газовое топливо поступает в редуктор, который предназначен для понижения давления газа и поддержания разности указанного давления и давления во впускном коллекторе двигателя на постоянном уровне.

К недостаткам данной системы можно отнести то, что подача газового топлива в цилиндры двигателя осуществляется в газообразном состоянии, в результате, по сравнению с подачей газового топлива в жидкой фазе, снижается наполнение цилиндров и, как следствие, мощность двигателя. Кроме того, для осуществления испарения сжиженного газа требуется постоянный подвод энергии к испарителю, что приводит к снижению энергетической эффективности системы.

Существуют системы питания двигателей внутреннего сгорания газовым топливом, которые подают топливо в жидкой фазе во впускной коллектор и далее в цилиндры. Переход в газовую фазу происходит частично во впускном коллекторе, частично непосредственно в цилиндре ДВС. Основным преимуществом подобных систем является то, что энергия, затраченная на переход топлива в газовую фазу отнимается непосредственно у рабочего тела (воздуха) до такта сжатия. Это позволяет увеличить плотность заряда свежей горючей смеси, т.е. улучшить фактический коэффициент наполнения ДВС и увеличить его удельную мощность. Кроме этого дополнительное охлаждение рабочего тела приводит к расширению «петли» Карно рабочего цикла и приводит к увеличению КПД двигателя и снижению удельного расхода топлива на единицу мощности в час. Если в качестве топлива рассматривать пропан-бутановую сжиженную смесь, то давление насыщенного пара пропан-бутана при нормальных условиях составляет 16 кг/см². Температура деталей двигателя внутреннего сгорания в некоторых случаях может превышать 100°С и для обеспечения фазовой стабильности пропан-бутановой смеси в таких условиях в известных системах рабочее давление в подающей магистрали и форсунках увеличивают до 25-30 кг/см². Увеличение рабочего давления достигается установкой в систему дополнительного топливного насоса, который поднимает и стабилизирует давление в системе. Высокое рабочее давление системы накладывает жесткие технические требования на работу топливного насоса и дозирующих форсунок и в значительной степени удорожает систему и снижает ее потенциальную надежность.

Например, известна система впрыска газового топлива в двигатель внутреннего сгорания (патент США 5755211, МПК F02M 21/02, опубл. 26.05.1998), включающая в себя резервуар для хранения сжиженного газового топлива, топливную магистраль, по которой топливо подается к электроуправляемым форсункам, обеспечивающим подачу газового топлива во впускной коллектор двигателя в сжиженной фазе. Система снабжена электронным блоком управления для регулирования количества подаваемого через форсунки газового топлива в соответствии с количеством поступающего в двигатель воздуха. Сжиженное газовое топливо подается к форсункам с помощью электрического топливного насоса, установленного в резервуаре для хранения топлива. Регулирование количества подаваемого через форсунки газового топлива осуществляется за счет изменения времени их открытия. Также в системе предусмотрено устройство, обеспечивающее сброс излишков газового топлива по сливному топливопроводу обратно в резервуар для его хранения.

К недостаткам описанной системы можно отнести необходимость применения дополнительного оборудования в виде топливного насоса и системы возврата излишков топлива в резервуар, что приводит к усложнению конструкции и ее удорожанию.

Наиболее близким аналогом заявляемой системы является система питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газовым топливом (патент РФ 62663, МПК F02M 21/02, F02B 69/04, опубл. 27.04.2007), включающая резервуар для хранения сжиженного газового топлива, топливную магистраль высокого давления, подключенную к резервуару хранения сжиженного газового топлива, редуктор, подключенный к топливной магистрали высокого давления, топливную магистраль низкого давления, подключенную к редуктору, и, по меньшей мере одну форсунку для подачи сжиженного газового топлива, установленную на входе во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания. На пути газового топлива к форсункам расположен регулятор давления, выполненный таким образом, что давление газового топлива, подводимого к форсункам, не превышает давления насыщенных паров газового топлива в резервуаре для его хранения, которое соответствует минимальной эксплуатационной температуре, на которую рассчитывается система питания при ее проектировании. Регулятор давления газового топлива расположен на минимально возможном расстоянии от электроуправляемых форсунок и обеспечен системой охлаждения подаваемого к форсункам топлива. В другом варианте реализации резервуар для хранения сжиженного газового топлива оборудован системой подогрева газового топлива, предназначенной для поддержания давления насыщенных паров в резервуаре на более высоком уровне, чем давление газового топлива, подводимого к форсункам после регулятора давления. Система подогрева газового топлива представляет собой электроподогреватель или же система подогрева газового топлива представляет собой теплообменник, к которому подводится жидкость из системы охлаждения двигателя.

К недостаткам описанной системы можно отнести достаточную сложность конструкции, сложность обеспечения стабильности фазового состояния используемого топлива при сравнительно низком давлении в системе, а также снижение эффективности работы системы при низкой температуре окружающей среды.

В основу полезной модели поставлена задача разработать систему питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газовым топливом, которая обеспечит стабильную подачу газового топлива во впускной коллектор двигателя в сжиженной фазе, при этом конструктивное исполнение системы будет характеризоваться простотой, высокой надежностью и безопасностью, что будет обуславливать экономическую целесообразность ее широкого внедрения.

Поставленная задача решается тем, что разработана система питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газовым топливом, включающая резервуар для хранения сжиженного газового топлива, топливную магистраль высокого давления, подключенную к резервуару хранения сжиженного газового топлива, редуктор, подключенный к топливной магистрали высокого давления, топливную магистраль низкого давления, подключенную к редуктору, и по меньшей мере одну форсунку для подачи сжиженного газового топлива, установленную на входе во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания, при этом система включает топливораздаточный коллектор, содержащий смежные между собой основную и дополнительную камеры, при этом вход основной камеры подключен к топливной магистрали низкого давления, а выход сообщается с впускным коллектором двигателя внутреннего сгорания посредством указанной по меньшей мере одной форсунки; вход дополнительной камеры подключен к резервуару для хранения сжиженного газового топлива посредством магистрали высокого давления через по меньшей мере одну форсунку, установленную на входе в дополнительную камеру, а выход сообщается со впускным коллектором двигателя. Указанная реализация полезной модели позволяет обеспечить стабильную подачу газового топлива во впускной коллектор двигателя в сжиженной фазе за счет осуществления дозированного испарения части топлива в дополнительной камере топливораздаточного коллектора с дальнейшей подачей полученной газовой фазы во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, энергия для испарения части топлива в дополнительной камере отбирается от топлива, находящегося в основной камере топливораздаточного коллектора, охлаждая его до температуры фазовой стабильности при давлении от 3 до 4,5 кг/см². Отобранная на испарение энергия компенсируется из энергии рабочего тела двигателя при впрыске основной массы топлива, т.е. не влечет за собой снижения КПД двигателя внутреннего сгорания. Низкое рабочее давление в предложенной системе позволяет значительно снизить стоимость используемых компонентов для дозирования топлива - форсунок, отказаться от использования топливного насоса, а также использовать подачу топлива за счет перепада давления в резервуаре для хранения и топливоподающем коллекторе, что в значительной мере улучшает потенциальную надежность всей системы и снижает ее стоимость. Экспериментально было определено, что для получения фазовой стабильности сжиженного газового топлива топливной магистрали достаточно принудительного испарения от 2 до 9% от общего количества подаваемого в двигатель топлива во всем диапазоне режимов работы двигателя, при этом поддерживается температура в топливной магистрали низкого давления и в топливоподающем коллекторе от -20 до -22°С.

Целесообразной является реализация полезной модели, при которой система снабжена электронным блоком управления, выполненным с возможностью управления работой форсунок. Управление форсункой, установленной на входе в дополнительную камеру, осуществляется по обратной отрицательной связи через датчик температуры топлива, которым снабжен блок управления. Также электронный блок управления может быть снабжен набором датчиков, измеряющих состояние и режим работы двигателя внутреннего сгорания.

Резервуар для хранения сжиженного газового топлива выполнен с возможностью хранения топлива под избыточным давлением.

Также возможна реализация заявляемой полезной модели, при которой система снабжена топливным насосом с относительно небольшим рабочим давлением (до 5 кг/см²), что позволяет обеспечить возможность работы системы при температуре окружающей среды ниже -25°С, при этом насосы указанного типа характеризуются высокой надежностью и относительно низкой стоимостью.

Заявляемая полезная модель поясняется с помощью фигуры, на которой представлено схематическое изображение системы питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газовым топливом.

Система питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газовым топливом включает резервуар 1 для хранения сжиженного газового топлива, топливную магистраль высокого давления 2, подключенную к резервуару 1 хранения сжиженного газового топлива, редуктор 3, подключенный к топливной магистрали высокого давления 2, топливную магистраль низкого давления 4, подключенную к редуктору 3, и по меньшей мере одну форсунку 5 для подачи сжиженного газового топлива, установленную на входе во впускной коллектор 6 двигателя внутреннего сгорания, подключенную к топливной магистрали низкого давления 4. Система также включает топливораздаточный коллектор, содержащий смежные между собой основную 7 и дополнительную 8 камеры, при этом вход основной камеры 7 подключен к топливной магистрали низкого давления 4, а выход сообщается со впускным коллектором 6 двигателя внутреннего сгорания посредством указанной по меньшей мере одной форсунки 5. Вход дополнительной камеры 8 подключен к резервуару 1 для хранения сжиженного газового топлива посредством магистрали высокого давления 2 через по меньшей мере одну форсунку 9, установленную на входе в дополнительную камеру 8, а выход сообщается со впускным коллектором двигателя. Также на фигуре представлен датчик температуры топлива 10 электронного блока управления (не показан). Кроме того, на фигуре показана дроссельная заслонка 11 двигателя внутреннего сгорания.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.

Сжиженное газовое топливо размещают на борту транспортного средства в резервуаре 1 для хранения сжиженного газового топлива. Избыточное давление в резервуаре 1 обеспечивает подачу сжиженного газового топлива естественным образом из резервуара 1 по магистрали высокого давления 2 в редуктор 3, подключенный к указанной магистрали 2, где осуществляется снижение давления сжиженного газового топлива до установленного значения. Далее топливо по топливной магистрали низкого давления 4 подают в основную камеру 7 топливораздаточного коллектора. При этом часть топлива из резервуара 1 по магистрали высокого давления 2 подают в дополнительную камеру 8 топливораздаточного коллектора посредством установленной на входе в указанную камеру 8 форсунки 9. В дополнительной камере 8 топливораздаточного коллектора происходит дозированное испарение части топлива с дальнейшей подачей полученной газовой фазы во впускной коллектор 6 двигателя. Энергия для испарения части топлива в дополнительной камере 8 топливораздаточного коллектора отбирается от топлива, находящегося в основной камере 7 топливораздаточного коллектора, охлаждая его до температуры фазовой стабильности при давлении от 3 до 4.5 кг/см². Охлажденное топливо из основной камеры 7 подают во впускной коллектор 6 двигателя внутреннего сгорания посредством форсунок 5. Управление форсунками 5 осуществляют посредством электронного блока управления (не показан) на основе показаний датчиков, измеряющих состояние и режим работы двигателя внутреннего сгорания. Управление форсункой 9 осуществляют по обратной отрицательной связи через датчик температуры топлива 10.

Эффективность внедрения заявляемой полезной модели подтверждается испытаниями системы питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газовым топливом.

Цель испытаний: проверить на практике работоспособность системы и стабилизации фазового состояния сжиженного газа при низком рабочем давлении.

В результате проведения испытаний было выявлено, что система показывает рабочие характеристики, расходящиеся с расчетными не более, чем на 10%. Стабилизация фазового состояния сжиженного газового топлива осуществлялась в широком диапазоне температур.

Программа стендовых испытаний: выход системы в режим фазовой стабильности, выведение системы на подачу сжиженного газового топлива в 50% от максимальной производительности, выведение системы в режим максимальной производительности, выключение системы.

Испытание 1

Температура окружающей среды и газа в резервуаре: +23°С.

Результаты испытания:

Время работы системы до стабилизации фазового состояния в топливной магистрали низкого давления: 24 секунды.

Расход сжиженного газового топлива в режиме частичной нагрузки форсунки на выходе основной камеры топливораздаточного коллектора: 64 г/сек.

Расход газа на стабилизацию фазового состояния: 3 г/сек.

Температура топливной магистрали низкого давления: -8°С.

Расход сжиженного газового топлива в режиме максимальной производительности форсунки на выходе основной камеры топливораздаточного коллектора: 122 г/сек.

Расход газа на стабилизацию фазового состояния: 5 г/сек.

Давление при потере фазовой стабильности: 2,3 кг/см².

Рабочее давление сжиженного газового топлива: 4 кг/см².

Испытание 2

Температура окружающей среды и газа в резервуаре: -7°С.

Результаты испытания:

Время работы системы до стабилизации фазового состояния в топливной магистрали низкого давления: 3 секунды.

Расход сжиженного газового топлива в режиме частичной нагрузки форсунки на выходе основной камеры топливораздаточного коллектора: 67 г/сек.

Расход газа на стабилизацию фазового состояния: 1 г/сек.

Температура контура низкого давления: -10°С.

Расход сжиженного газового топлива в режиме максимальной производительности дозирующей форсунки; 124 г/сек.

Расход газа т стабилизацию фазового состояния: 1 г/сек.

Давление при потере фазовой стабильности: 2,1 кг/см².

Рабочее давление сжиженного газового топлива: 4 кг/см².

1. Система питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газовым топливом, включающая резервуар для хранения сжиженного газового топлива, топливную магистраль высокого давления, подключенную к резервуару хранения сжиженного газового топлива, редуктор, подключенный к топливной магистрали высокого давления, топливную магистраль низкого давления, подключенную к редуктору, и по меньшей мере одну форсунку для подачи сжиженного газового топлива, установленную на входе во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания, отличающаяся тем, что включает топливораздаточный коллектор, содержащий смежные между собой основную и дополнительную камеры, при этом вход основной камеры подключен к топливной магистрали низкого давления, а выход сообщается со впускным коллектором двигателя внутреннего сгорания посредством указанной по меньшей мере одной форсунки, а вход дополнительной камеры подключен к резервуару для хранения сжиженного газового топлива посредством магистрали высокого давления через по меньшей мере одну форсунку, установленную на входе в дополнительную камеру, а выход сообщается со впускным коллектором двигателя.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что снабжена электронным блоком управления, выполненным с возможностью управления работой форсунок.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что резервуар для хранения сжиженного газового топлива выполнен с возможностью его хранения под избыточным давлением.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что содержит топливный насос с рабочим давлением до 5 кг/см².