СПОСОБ ПОДАЧИ ЖИДКОГО И ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВ В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СИСТЕМА ПОДАЧИ ЖИДКОГО И ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВ В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02M13/08 F02M21/00 

Изобретение относится к двигателестроению и предназначено для использования в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с внешним смесеобразованием, работающих одновременно на жидком и газообразном топливах.

Известны способы и система подачи в ДВС двух топлив, жидкого и газообразного, причем первого из топливного бака по топливопроводу в карбюратор, а второго - из газового баллона с запорной арматурой через дозатор в карбюратор в его воздушный канал за дроссельной заслонкой.

Недостатком этого технического решения является то, что подача газа в воздушный канал карбюратора за дроссельной заслонкой ухудшают характеристики карбюратора по подаче жидкого топлива, так как уменьшается скорость и расход воздуха в воздушном канале карбюратора в месте расположения распылителя жидкого топлива при подаче газа за дроссельной заслонкой. Ухудшение характеристик подачи жидкого топлива в свою очередь вызывает ухудшение экономических и мощностных показателей двигателя.

Известны технические решения подачи в ДВС двух топлив, жидкого и газообразного, с использованием диафрагменных регулирующих устройств подачи газа и пневматического торможения подачи бензина при включенной подаче газа, а также с системой автоматического изменения соотношений жидкого и газообразного топлив в зависимости от режимов работы двигателя. Однако в указанных технических решениях также ухудшаются характеристики подачи жидкого топлива, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на экономических, динамических и мощностных показателях двигателя. Несмотря на то, что в них предусмотрено регулирование соотношений подач жидкого и газообразного топлив в зависимости от режимов работы двигателя, в то же время не предусмотрено средство для ограничения максимальной подачи двух топлив, при которой коэффициент избытка воздуха не получался бы ниже значений, соответствующих переобогащению рабочей смеси.

Предупреждение переобогащения смеси при одновременной подаче газа и бензина в некоторых технических решениях осуществляется путем уменьшения уровня топлива в поплавковой камере карбюратора или установлением регулировочных игл в жиклеры главной дозирующей системы карбюратора. Однако недостатком таких систем подачи двух топлив является то, что они обладают пониженной динамикой изменения расхода топлива в переходных процессах работы двигателя, вследствие чего последний в переходных процессах разгона имеет "вялое" нарастание мощности и ухудшение экономичности из-за плохого распыливания бензина, что неприемлемо для современных двигателей.

Известно также техническое решение для подачи в ДВС двух топлив, жидкого и газообразного, причем последнее подается через запорный клапан из газового баллона, через регулятор расхода газа, клапан регулирования давления мембранного типа и трубопроводы. При этом подвод газа в впускной трубопровод производится по двум ветвям. Через основную ветвь газ подается в карбюратор перед дроссельной заслонкой в режимах полных и частичных нагрузок ДВС. В режимах холостого хода и малых нагрузок подача газа через основную ветвь прекращается и газ направляется через вторую ветвь в задроссельное пространство карбюратора. Последнее указанное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостатком этого технического решения является недостаточное согласование характеристик подачи жидкого и газообразного топлива, что может привести к переобогащению рабочей смеси и ухудшению основных характеристик двигателя.

Целью изобретения является повышение эффективности, снижение токсичности отработавших газов, улучшение экономичности и динамических свойств двигателя, а также снижение теплонапряженности двигателя. Указанная цель достигается тем, что в известном способе подачи жидкого и газообразного топлива в ДВС, заключающемся в том, что жидкое топливо подают в двигатель из бака через смесеобразующее устройство (карбюратор) с органами дозирования, а газообразное топливо подают в двигатель из газового баллона либо через вход смесеобразующего устройства, либо во впускной тракт двигателя за дроссельной заслонкой, регулируют подачу топлив и при этом подачу жидкого топлива уменьшают с момента включения подачи газообразного топлива путем уменьшения уровня топлива в поплавковой камере смесеобразующего устройства или путем уменьшения проходных сечений главных жиклеров смесеобразующего устройства при помощи регулировочных игл, первоначальное уменьшение подачи жидкого топлива в общей подаче двух топлив производят ступенчато при помощи нескольких фиксированных установок регулирующих органов, определяемых конкретными условиями эксплуатации двигателя, ограничивают максимальную суммарную подачу двух топлив до величины, эквивалентной подаче одного только штатного жидкого топлива по условию сохранения равенства в обоих случаях предельной установленной мощности при всех скоростных режимах его работы, ограничение максимальной суммарной подачи двух топлив осуществляют за счет вторичного уменьшения доли жидкого топлива, вторичное уменьшение доли жидкого топлива в суммарной подаче двух топлив производят с момента достижения последней 80-95% максимального значения, соответствующего работе двигателя на режиме максимального крутящего момента, максимальную подачу газообразного топлива в общей суммарной подаче двух топлив производят в области режимов работы двигателя, соответствующих его максимальному крутящему моменту, при увеличении угловой частоты вращения вала двигателя по сравнению с частотой вращения вала при вышеуказанной области режимов работы двигателя снижают долю газа в общей подаче двух топлив и прекращают подачу газообразного топлива с момента начала сброса нагрузки до момента достижения валом двигателя угловой частоты вращения, соответствующей минимальной частоте вращения на холостом ходу.

А в системе подачи жидкого и газообpазного топлив в ДВС, согласно изобретению поставленная цель достигается тем, что дозатор снабжен приемной камерой, связанной своим входом с подводящим газопроводом, а выходом сообщенной через установленный в приемной камере и связанный с мембраной клапан с двумя запорными элементами, в приемной камере установлены два седла запорных элементов, одно их которых размещено на входе в приемную газопроводную камеру, а другое - на выходе приемной камеры в управляющую камеру, управляющая камера сообщена с воздушным клапаном карбюратора при помощи разветвленного газопровода, диафрагма дозатора соединена подвижным штоком с пятой, а дозатор снабжен управляемым профильным упором, взаимодействующим с пятой и связанным с дроссельной заслонкой, иглы топливных жиклеров снабжены устройством управления, связанным с дроссельной заслонкой, в основной ветви газопровода установлен обратный клапан, а во второй ветви газопровода установлены устройства регулирования ее проходного сечения и подпитки воздухом из атмосферы через дополнительный воздухоочиститель.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема системы подачи в ДВС двух топлив, жидкого и газообразного; на фиг. 2 - конструктивная схема дозатора газообразного топлива и карбюратора для подачи в ДВС жидкого топлива.

Система подачи в ДВС двух топлив, жидкого и газообразного, содержит контур подачи жидкого топлива (бензина) из бака 1, сообщенного топливопроводом 2 через поплавковую топливную камеру 3 и главную дозирующую систему с жиклерами 4, имеющими регулировочные иглы 5 их проходного сечения, и диффузором 6 с распылителем 7 карбюратора, снабженного управляющими дроссельной 8 и воздушной 9 заслонками, установленными на его корпусе в проточном воздушном канале 10, имеющем на входе воздухоочиститель 11, и контур подачи газообразного топлива, включающий сообщенные между собой последовательно установленные газовый баллон 12 с понижающим редуктором 13, газопровод 14 с автоматическим запорным клапаном 15 и дозатором 16 газа с мембраной и управляющей камерой, выполненное в виде тройника 17 разветвление на две ветви газопровода 14, переключатель 18 потока газа, выполненный, например, в виде обратного клапана 19, причем основная ветвь 20 газопровода 14 соединена с воздушным каналом 10 карбюратора до дроссельной заслонки 8 для подачи газа в режимах полных и частичных нагрузок двигателя, а вторая ветвь 21 газопровода 14 соединена с воздушным каналом 10 карбюратора за дроссельной заслонкой 8 для подачи газа в режимах холостого хода и малых нагрузок двигателя.

Дозатор 16 снабжен приемной камерой 22, связанной своим входом 23 с подводящим газопроводом 14, а выходом 24 выполнена с возможностью сообщения управляющей камерой 25. В приемной камере 22 установлен клапан 26 с двумя запорными элементами и камера 22 снабжена двумя седлами 27 и 28 запорных элементов клапана, одно из которых 27 размещено на входе газопровода 14 в камеру 22, а другое 28 - на выходе приемной камеры 22 в управляющую камеру 25. Клапан 26 связан с мембраной 29 дозатора 16. Управляющая камера 25 сообщена с воздушным каналом 10 карбюратора при помощи разветвленного газопровода 14, мембрана 29 (диафрагма) дозатора 16 - подвижным штоком 30 с пятой 31, а дозатор 16 - с управляемым профильным упором 32, взаимодействующим с пятой 31 и связанным с дроссельной заслонкой 8 карбюратора.

Иглы 5 главных топливных жиклеров 4 снабжены устройствами первоначальной их установки 33 в положения подачи бензина при включении подачи газа и последующей (вторичной) их установки в положение уменьшения подачи бензина при достижении величины суммарной подачи двух топлив, равной 80-95% от максимальной суммарной подачи. Вторичное устройство 34 управления иглами связано с дроссельной заслонкой 8 и с механизмом включения газового запорного клапана 15.

Обратный клапан 19 установлен в ветви 20 газопровода 14, связанной с воздушным каналом 10 перед дроссельной заслонкой 8.

В ветви 21 газопровода 14, связанной с воздушным каналом 10 за дроссельной заслонкой 8, установлены устройства регулирования ее проходного сечения 35 и подпитки воздухом из атмосферы через дополнительный воздухоочиститель 36.

Запорный клапан 15 выполнен с электромагнитным приводом, который включается от электрического замка зажигания 37, соединенного включателем 38 и контрольной лампой 39 с аккумуляторной батареей 40. Для подачи газа в карбюратор через ветви 20 и 21 газопровода 14 предусмотрены проставки 41 и 42.

Способ одновременной подачи в ДВС газообразного и жидкого топлива (бинарного топлива) осуществляется при помощи рассмотренной системы следующим образом.

Жидкое топливо (бензин) подают в двигатель из бака 1 через смесеобразующее устройство (карбюратор) с органами дозирования, выполненными, например, в виде дроссельной заслонки 8, а газообразное топливо (например, пропан-бутан или метан) подают в двигатель из газовых баллонов 12 либо через вход в смесеобразующее устройство, либо во впускной тракт двигателя за дроссельной заслонкой 8, производят регулирование количества подаваемых топлив и при этом подачу бензина уменьшают первоначально ступенчато путем фиксированной установки регулировочных игл 5 жиклеров 4, при помощи устройства 33, определяемой конкретными условиями эксплуатации двигателя.

Устройство 33 позволяет устанавливать иглы 5 в различные фиксированные положения, при которых проходное сечение жиклеров равно 100% , 95% , 90% и т. д. от их полного геометрического проходного сечения. Например, при использовании двигателя на транспортном средстве, работающем на загородной трассе при полной нагрузке, фиксированное положение может быть равно 100% . При меньших нагрузках фиксированное положение может уже быть выбрано равным 95% и ниже. По существу фиксированное положение регулировочных игл 5 может устанавливаться вручную водителем транспортного средства электронной вакуумной системой (устройством) управления 34 автоматически.

При одновременной подаче в ДВС двух топлив ограничивают максимальную суммарную их подачу до величины, эквивалентной максимальной подаче одного только жидкого топлива по условию сохранения равенства в обоих cлучаях предельной мощности при всех скоростных режимах его работы. Под предельной мощностью при этом принимается работа двигателя, не выходящая по основным его показателям (мощность, крутящий момент, максимальное давление сгорания, температурные характеристики и т. п. ) за пределы показателей внешней характеристики, т. е. при сохранении заградительных параметров двигателя, установленных заводом-изготовителем.

Ограничение максимальной суммарной подачи двух топлив осуществляют за счет вторичного уменьшения доли жидкого топлива, вторичное уменьшение доли жидкого топлива в суммарной подаче двух топлив производят с момента достижения последней 80-95% максимального значения, соответствующего работе двигателя на режиме максимального крутящего момента. Вторичное уменьшение доли жидкого топлива в общей подаче производится за счет воздействия на иглы 5 в сторону перекрытия проходных сечений жиклеров 4 от дроссельной заслонки 8 при подходе последней к максимально открытому положению.

Максимальную подачу газов в общей суммарной подаче двух топлив устанавливают в области режимов работы двигателя, соответствующих его максимальному крутящему моменту. Такое установление подачи газа осуществляется за счет профильного упора 32, при помощи которого двойной клапан 26 в наибольшей степени открывает проходное сечение седла 28 для сообщения приемной камеры 22 с управляющей камерой 25, которая, в свою очередь, связана с воздушным каналом 10.

При увеличении угловой частоты вращения вала двигателя по сравнению с указанной выше областью режимов его работы снижают долю газа в общей подаче двух топлив за счет того, что с ростом угловой частоты (при уменьшении нагрузки) вала двигателя разрежение в управляющей камере 25 возрастает и мембрана 29 перемещает двойной клапан 26 в сторону седла 27, уменьшая его проходное сечение. В момент сброса нагрузки после перекрытия воздушного канала 10 дроссельной заслонкой 8 разрежение в управляющей камере 25 резко возрастает (клапан 19 перекрывает ветвь 20, т. к. разрежение в ветви 21 газопровода 14 больше) и при этом двойной клапан 26 полностью перекрывает проходное сечение седла 27.

Подача газа в ДВС прекращается до момента достижения последним частоты вращения, соответствующей минимальным оборотам холостого хода, при которых разрежение в управляющей камере 25 падает и клапан 26 освобождает проходное сечение седла 27. Обратный клапан 19 при этом остается в закрытом положении (дроссельная заслонка 8 закрыта) и поэтому на холостом ходу газ поступает в воздушный канал 10 за дроссельную заслонку 8 в проставку 42 через ветвь 21 газопровода 14.

При последующем открытии дроссельной заслонки 8 в момент выравнивания давления в местах соединения ветвей 20 и 21 с воздушным каналом 10 обратный клапан 19 открывается (гидравлическое сопротивление ветви 20 меньше гидравлического сопротивления ветви 21 газопровода 14) и основная часть газа поступает в воздушный канал 10 до дроссельной заслонки 8. Ветвь 20 газопровода 14 соединяют с воздушным каналом 10 через специальную проставку 41 или через воздухоочиститель 11.

В рассматриваемом техническом решении подача газа ДВС из газового баллона 12 происходит под низким давлением за счет разрежения в воздушном канале 10 карбюратора, что обеспечивает безопасность его использования за счет предупреждения большой утечки газа в случае аварийного нарушения герметичности газопровода 14.

Сохранению динамики изменения общей подачи топлива при переходных процессах работы ДВС способствует то, что основное уменьшение доли жидкого топлива производится только при достижении величины общей подачи, равной 80-95% от полной подачи. Подача жидкого топлива происходит с меньшей инерционностью, чем подача газа, поэтому двигатель более приспособлен для приема нагрузки. Его динамика сохраняется и даже несколько улучшается по сравнению со штатным вариантом.

В известных технических решениях, где доля жидкого топлива уменьшается сразу же после включения подачи газа, невозможно сохранить без снижения динамику ДВС, соответствующую его работе только на одном жидком топливе, из-за большой инерционности системы подачи газа.

В предложенном техническом решении первоначальное уменьшение доли бензина незначительно, поэтому не оказывает существенного влияния на динамику изменения подачи топлива сравнительно со штатным вариантом работы только на одном жидком топливе. Необходимое же соотношение долей газа и бензина для поддержания, например, в обоих вариантах одной и той же мощности на частичных режимах осуществляется за счет того, что в случае подачи двух топлив дроссельная заслонка менее открыта, чем в штатном варианте, а необходимая подача топлива получения заданной мощности обеспечивается за счет подачи газа, т. е. снижение подачи жидкого топлива компенсируется эквивалентной подачей газа.

Рассмотренное техническое решение опробировано при стендовых испытаниях на двигателе ЗИЛ-130 (штатное топливо бензин АИ-93) и пробных дорожных испытаниях на автомобилях УАЗ-469 и ГАЗ-53.

В результате испытаний установлено, что предлагаемое техническое решение позволяет замещать бензин газом до 50% , применять низкосортный бензин вплоть до авиационного керосина; снижать расход бинарного топлива (газ + бензин) на 10-12% по сравнению с режимом работы двигателя только на одном бензине; улучшать на 6-8% динамические и мощностные характеристики двигателя с одновременным снижением жесткости его работы (при максимальной нагрузке двигателя не проявляется характерных признаков детонационных стуков (детонации); снижать содержание вредных составляющих в выхлопных газах (СО в 2-3 раза) и уменьшать их температуру на 40-50^оC; увеличивать в 1,5 раза моторесурс, срок смены масла и замены свечей зажигания.

Бинарная топливная система (БТС) позволяет также устанавливать заданное октановое число (ОК) смеси двух топлив не только для определенно используемого двигателя, но и практически регулировать ОК рабочей смеси в зависимости от режимов его работы, что имеет существенные преимущества по сравнению с двигателями, имеющими газобалонную аппаратуру (ГБА) и работающему полностью на газу или на одном бензине.

По сравнению с газобалонной аппаратурой бинарная топливная система имеет следующие преимущества:
она значительно проще в исполнении, установке и регулировке, в 2-2,5 раза дешевле,
не снижает, а повышает мощность двигателя,
практически не требует переделки двигателя,
надежнее в эксплуатации и в отношении пожаро-взрывобезопасности,
позволяет осуществлять замену газовых баллонов, обходясь без газозаправочных станций.

Срок окупаемости БТС в 4 раза меньше ГБА и составляет 3-6 месяцев в зависимости от сорта бензина, на котором работает двигатель автомобиля.

БТС легко может быть переделана с использованием нефтяного газа пропан-бутан (используется в жидком состоянии) на использование природного газа (метана).

Таким образом, рассматриваемое техническое решение обеспечивает повышение эффективности, снижение токсичности отработанных газов, улучшение экономичности и динамических свойств двигателя, а также снижение теплонапряженности двигателя. (56) Патент США N 4373493, кл. F 02 M 21/02, 1983.

Авторское свидетельство СССР N 1615426, кл. F 02 M 21/00, 1987.

Авторское свидетельство СССР N 1617175, кл. F 02 M 13/08, 1989.

Авторское свидетельство СССР N 1607692, кл. F 02 M 21/02, 1989.

Патент ГДР N 228711, кл. F 02 M 21/02, 1983.

Использование: двигателестроение, способы и системы питания бинарным топливом двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: жидкое топливо подают в двигатель через карбюратор, а газообразное из баллона через вход карбюратора либо во впускной тракт за дроссельной заслонкой 8. Подачу жидкого топлива уменьшают с момента начала подачи газообразного, первоначальное уменьшение доли жидкого топлива в суммарной подаче топлив производят ступенчато в зависимости от эксплуатации двигателя, ограничивают максимальную суммарную подачу топлива до величины, эквивалентной максимальной подаче лишь одного жидкого топлива, ограничение максимальной суммарной подачи осуществляют за счет вторичного уменьшения доли жидкого топлива, вторичное уменьшение производят с момента достижения суммарной подачи 80 - 90% , ее максимального значения, соответствующего работе двигателя на режиме максимального крутящего момента, максимальную подачу газообразного топлива в суммарной подаче производят при максимальном крутящем моменте, при увеличении частоты вращения вала снижают долю газообразного топлива и прекращают подачу газообразного топлива при сбросе нагрузки до достижения режима холостого хода. Предусмотрены варианты выполнения системы для осуществления способа с дизатором газа в контуре подачи газообразного топлива. Дозатор выполнен с приемной и управляющей камерами 22 и 25. Газопровод имеет ветви 20 и 21. В камере 22 установлены два седла 24 и 27 клапана с двумя запорными элементами, клапан связан с мембраной дозатора. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ подачи жидкого и газообразного топлив в двигатель внутреннего сгорания, заключающийся в том, что жидкое топливо подают в двигатель из бака через смесеобразующее устройство с органами дозирования, а газообразное топливо подают в двигатель из газового баллона либо через вход смесеобразующего устройства, либо во впускной тракт двигателя за дроссельной заслонкой, регулируют подачи топлив и при этом подачу жидкого топлива уменьшают с момента начала подачи газообразного топлива путем уменьшения уровня топлива в поплавковой топливной камере смесеобразующего устройства или путем уменьшения проходных сечений главных жиклеров смесеобразующего устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, снижения токсичности отработавших газов, и улучшения экономичности, первоначальное уменьшение доли жидкого топлива в суммарной подаче двух топлив производят ступенчато при помощи нескольких фиксированных установок регулирующих органов, определяемых конкретными заданными условиями эксплуатации двигателя, ограничивают максимальную суммарную подачу двух топлив до величины, эквивалентной максимальной подаче одного только штатного жидкого топлива по условию сохранения равенства в обоих случаях предельной мощности двигателя при всех скоростных режимах его работы, ограничение максимальной суммарной подачи двух топлив осуществляют за счет вторичного уменьшения доли жидкого топлива, вторичное уменьшение доли жидкого топлива в суммарной подаче двух топлив производят с момента достижения последней 80 - 95% максимального значения, соответствующего работе двигателя на режиме максимального крутящего момента, максимальную подачу газообразного топлива в суммарной подаче двух топлив производят в области режимов работы двигателя, соответствующих его максимальному крутящему моменту, при увеличении частоты вращения вала двигателя по сравнению с частотой вращения вала при указанной области режимов работы двигателя снижают долю газообразного топлива в суммарной подаче двух топлив и прекращают подачу газообразного топлива с момента начала сброса нагрузки двигателя до момента достижения валом двигателя частоты вращения, соответствующей максимальной частоте вращения на холостом ходу. 2. Система подачи жидкого и газообразного топлив в двигатель внутреннего сгорания, содержащая контур подачи жидкого топлива, имеющий бак, сообщенный топливопроводом через поплавковую топливную камеру и главную дозирующую систему с главными жиклерами, снабженными регулировочными иглами, смесеобразующее устройство - карбюратор, снабженный управляющими органами дозирования - дроссельной и воздушной заслонками, установленными в его проточном воздушном канале, имеющем на входе воздухоочиститель, и контур подачи газообразного топлива, имеющий сообщенные между собой последовательно установленные газовый баллон с понижающим редуктором, газопровод с автоматическим запорным клапаном и дозатором газа с мембраной и управляющей камерой, выполненное в виде тройника разветвление газопровода на две ветви и переключатель потока газа, причем первая основная ветвь газопровода соединена с воздушным каналом карбюратора до дроссельной заслонки, а вторая ветвь газопровода соединена с воздушным каналом карбюратора за дроссельной заслонкой, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности, снижения токсичности отработавших газов и улучшения экономичности, дозатор снабжен приемной камерой, связанной своим входом с газопроводом, а выходом сообщенной с управляющей камерой через установленный в приемной камере и связанный с мембраной клапан с двумя запорными элементами, в приемной камере установлены два седла запорных элементов, одно из которых размещено на входе газопровода в приемную камеру, а другое - на выходе приемной камеры в управляющую камеру, управляющая камера сообщена с воздушным каналом карбюратора при помощи ветвей газопровода, мембрана дозатора соединена подвижным штоком с пятой, а дозатор снабжен управляемым профильным упором, взаимодействующим с пятой и связанным с дроссельной заслонкой, иглы главных жиклеров снабжены устройством управления, связанным с дроссельной заслонкой, а в основной ветви газопровода установлен обратный клапан. 3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что во второй ветви газопровода установлены устройства регулирования ее проходного сечения и подпитки воздухом из атмосферы через дополнительный воздухоочиститель.