МНОГОЦИЛИНДРОВАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02M25/08 

Данное изобретение относится к обработке паров топлива, образующихся в топливном баке, где находится топливо для двигателя внутреннего сгорания.

Во многих странах существуют нормы на выброс газообразных отходов из автомобилей, обязывающие проводить обработку паров, образующихся в топливном баке с тем, чтобы исключить или значительно уменьшить количество топлива, выбрасываемого в атмосферу с такими парами. Известно, что при работе автомобиля температура топливного бака может достигать 30-55^oC, в результате чего в топливном баке образуется значительное количество паров топлива, которые могут загрязнять атмосферу, если не пройдут соответствующую обработку.

Поэтому многие нормы на выброс газообразных отходов из автомобилей обязывают применять сепаратор с тем, чтобы пары, выходящие из топливного бака, проходили через сепаратор, где от них отделяется топливо, прежде чем воздух будет выпущен в атмосферу. Обычно сепаратор выполняется из активированного угля и его части называют "угольным фильтром". Такие сепараторы действуют на принципе физической абсорбции паров топлива активированным углем.

Пока двигатель работает, выходящий из сепаратора воздух направляется в воздухозаборную систему двигателя и потому остатки паров топлива, которые не смог отделить сепаратор, поступают в двигатель и не выбрасываются в атмосферу. Если же двигатель не работает, особенно сразу после его остановки, когда топливный бак имеет высокую температуру, то образование паров топлива продолжается и их давление оказывается достаточным для выхода в сепаратор. В результате в сепараторе происходит накопление топлива, что продолжается значительное время после остановки двигателя.

Обычно сепаратор конструируется так, что его вместимость достаточна для удержания всех паров, поступающих в сепаратор из топливного бака после остановки двигателя, однако из-за этого фильтрующий материал может оказаться заполненным топливом на момент следующего запуска двигателя. Тогда топливо, находящееся в фильтрующем материале, будет втянуто в воздухозаборную систему двигателя, вследствие чего в двигателе на момент запуска окажется избыток топлива, что может привести к большому уровню углеводородных выбросов в выхлопе. Кроме того, из-за избыточной подачи топлива двигатель может начать работать со скоростью, значительно превышающей скорость, определяемую положением дроссельной заслонки и системой дозирования топлива. Подробный режим работы двигателя после запуска неприемлем из технических соображений, а также из соображений охраны окружающей среды.

Одним из известных решений указанной проблемы является применение в системах регулирования паров топлива электромагнитного клапана, работающего во время запуска двигателя с тем, чтобы отделить сепаратор от воздухозаборной системы.

Цель данного изобретения состоит в создании системы для двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающей удаление топлива, накопленного во время остановки двигателя, и не оказывающей нежелательного влияния на его работу.

С учетом указанной цели в соответствии с данным изобретением в системе двигателя внутреннего сгорания предусматривается воздушный компрессор для подачи воздуха для нагнетания топлива в двигатель для его сгорания, топливный бак, где хранится топливо для работы двигателя, воздушно-топливный сепаратор, куда поступают пары образующиеся в топливном баке и где топливо, имеющееся в парах, отделяется от воздуха, канал, обеспечивающий связь той части сепаратора, где задерживается топливо, со впуском компрессора с тем, чтобы во время работы компрессора по меньшей мере часть воздуха забираемого компрессором, пропускалась через ту часть сепаратора, где задерживается топливо, за за счет этого извлекается топливо оттуда.

Между топливным баком и сепараторной группой весьма удобно предусмотреть обратный клапан с тем, чтобы он оставался закрытым, пока давление в топливном баке остается ниже заранее установленного значения, например 7кПа, поскольку если давление в топливном баке оказывается слишком низким, то происходит значительное образование паров, что может увеличить нагрузку на систему. Между обратным клапаном и топливным баком либо в самом топливном баке весьма удобно предусмотреть еще один клапан, который станет открываться, когда давление в топливном баке упадет ниже атмосферного, что позволит избежать опасности повреждения и возможного разрыва топливного бака при давлении ниже атмосферного.

Весьма часто в системах впрыска топлива, где воздух используется для подачи топлива в двигатель, перед компрессором предусматривают регулятор давления с тем, чтобы поддерживать давление воздуха, осуществляющего подачу топлива, на уровне заранее определенной величины, которая меньше давления подачи компрессора. Выходящий из такого регулятора воздух желательно повторно направлять к впускному отверстию компрессора.

За счет того, что в компрессор обратным потоком через сепаратор подается воздух, в компрессор поступает топливо, накопленное в сепараторе за время отключения двигателя, после чего оно через топливный инжектор подается в камеру сгорания. В результате сепаратор очищается от накопившегося там топлива, при этом не происходит существенного изменения в отношении количества топлива к количеству воздуха в смеси, идущей к камере сгорания. Хотя в соответствии с данным изобретением компрессор продувает топливо из сепаратора и затем подает его в двигатель, однако количество такого топлива значительно меньше того количества топлива, которое может быть продуто из сепаратора в обычном режиме работы из расчета количества топлива на такт двигателя. Таким образом, продувка топлива из сепаратора в соответствии с данным изобретением оказывает значительно меньшее влияние на уровень загрязнения парами топлива в выхлопных газах в сравнении с известной системой, и кроме того не оказывает существенного влияния на скорость работы двигателя. Дальнейшего улучшения работы можно достичь, если регулировать долю топлива, идущего к компрессору от сепаратора. С этой целью удобнее всего регулировать расход воздуха, идущего через сепаратор к компрессору. Средство регулирования желательно устроить так, чтобы расход воздушного потока к компрессору был постоянным в любом конкретном либо каким-либо узком диапазоне нагрузки на двигатель при данной скорости.

Современные двигательные установки содержат программируемое средство дозирования топлива, устроенное так, что оно определяет потребность двигателя в топливе в ответ на входные сигналы об условиях работы двигателя. В число входных сигналов входит сигнал о скорости двигателя, а программу можно построить так, что она станет осуществлять заранее определенную коррекцию потребности двигателя в топливе относительно скорости двигателя с компенсацией расхода топливного потока к компрессору от сепаратора.

Данное изобретение также может с успехом применяться в двигательных установках, снабженных топливным распределителем, по которому топливо и сжатый воздух раздельно подаются к нескольким топливным инжекторам, что описано заявителями в патенте США N 4934329. В таких двигательных установках топливо циркулирует по распределителю и назад к топливному баку, предупреждая образование паров топлива в распределителе. При этом происходит передача тепла от сжатого воздуха к топливу, в результате чего увеличивается подвод тепла к топливному баку в сравнении с типовыми двигателями установками. Отсюда следует, что в подобных установках заряд паров топлива оказывается больше, и сепаратор во время работы двигателя требует регулярной продувки.

Перейдем к более подробному описанию изобретения на примере одного из вариантов реализации способа обработки паров топлива для двигателей внутреннего сгорания согласно данному изобретению, иллюстрируемому приложенными рисунками.

На фиг. 1 схематично изображены системы регулирования паров топлива и сжатого воздуха, применяемые в настоящее время.

На фиг. 2 схематично изображены системы регулирования паров топлива и сжатого воздуха в соответствии с одним из вариантов реализации данного изобретения.

На фиг. 3 схематично изображены системы регулирования паров топлива и сжатого воздуха в соответствии с другим вариантом реализации данного изобретения.

Теперь обратимся к фиг. 1, где изображен сепаратор 10 обычной конструкции с фильтрующим материалом из активированного угля, который в автомобилестроении обычно называют угольным фильтром. Пространство 11, где в топливном баке 12 образуются пары топлива, сообщается каналом 13 со входной стороной сепаратора 10. В канале 13 размещен обратный клапан 14, настроенный так, чтобы открываться и пропускать пары топлива от топливного бака 12 к сепаратору 10, когда давление паров в топливном баке 12 на 10 кПа превышает давление в сепараторе 10. Другой обратный клапан 17 сообщается по каналу 13 с пространством 11 в топливном баке, он настроен так, чтобы открываться, когда давление в топливном баке 12 упадет ниже атмосферного;
C выпускной стороны сепаратор 10 сообщается по каналу 9 с воздухозаборным проходом 15 двигателя после типовой воздушной камеры 16 и дроссельной заслонки 8, через которую воздух поступает в воздухозаборную систему двигателя во время его работы. Следовательно, когда двигатель работает и давление в пространстве 11 образования паров топлива в топливном баке 12 достаточно высоко, то пары топлива пройдут из топливного бака через сепаратор 10, где активированный уголь станет адсорбировать топливо, имеющееся в этих парах, а обработанный воздух поступит в воздухозаборный проход 15. Пока двигатель работает, тот воздух, что поступает в воздухозаборный проход 15 из сепаратора 10, будет составлять часть воздуха, идущего в двигатель по воздухозаборной системе; когда двигатель прекратит работу, то воздух, идущий в воздухозаборный проход 15 из сепаратора 10, станет выбрасываться в атмосферу.

По каналу 19 воздух из воздушной камеры 16 поступает в компрессор 20, откуда сжатый воздух поступает в воздушный распределитель 21, по которому он идет к нескольким топливным инжекторам 22 для подачи топлива в камеры сгорания двигателя. Регулятор 23 управляет давлением воздуха в воздушном распределителе 21, и уходящий из регулятора 23 воздух возвращается в канал 19 с впускной стороны компрессора 20.

Хотя в компрессор воздух поступает из воздушной камеры 16 также как воздух в систему всасывания двигателя, но поля воздуха, прошедшего к компрессору 20 через воздушную камеру, мала в сравнении с тем количеством воздуха, что проходит через воздушную камеру 16 и проход 15 в воздухозаборную систему двигателя. Если вслед за остановкой двигателя в сепараторе 10 накопится топливо, то при последующем запуске двигателя воздух пройдет через сепаратор в воздухозаборный проход, и все топливо, втянутое в воздухозаборный проход 15 вместе с воздухом из сепаратора 10, сразу же попадет в воздухозаборную систему и пройдет в камеру сгорания двигателя, тогда как по каналу 19 к компрессору 20 топливо еще не пройдет. Из-за избыточного поступления топлива от сепаратора 10 напрямую в воздухозаборную систему к двигателю придет переобогащенная смесь топлива и воздуха, что может привести к появлению в выхлопе избыточных количеств загрязняющих веществ и/или превышению допустимого числа оборотов, что отмечалось выше.

В соответствии с данным изобретением предлагается модификация описанной выше системы путем замены канала 19, изображенного на рис. 1, на канал 25 изображенный на рис. 2 и напрямую соединенный с каналом 13 после обратного клапана 14 и перед сепаратором 10. В результате пары топлива, выходящие из топливного бака 12, напрямую поступают во впускное отверстие компрессора 20. Если двигатель работает, то компрессор втянет пары топлива из топливного бака 12 и дополнительный воздух из воздушной камеры 16 через канал 28 и сепаратор 10, а остальной воздух пойдет обратным потоком через сепаратор 10. В ситуации, когда загрузка парами топлива из топливного бака окажется больше той, с которой может справиться компрессор 20 избыточные пары пойдет через сепаратор 10 обычным образом и через канал 238 пройдут в воздухозаборную систему двигателя.

Одно из достоинств системы по рис. 2 заключается в том, что после периода, на котором двигатель стоял, произойдет накопление топлива в активированном угле сепаратора 10, о чем было сказано выше, однако после запуска двигателя к компрессору 20 через сепаратор 10 от воздухозаборного прохода пойдет обратный поток воздуха. Обратный поток продувает топливо из активированного угля, находящегося в сепараторе 10, и это топливо впоследствии поступит в камеру сгорания двигателя через компрессор 20, воздушный распределитель 21 и инжекторы 22. Благодаря прохождению обратного потока воздуха через сепаратор 10 предупреждается прямое поступление избыточного количества топлива, имеющегося в сепараторе, в воздухозаборную систему двигателя; вместо этого топливо подается в камеру сгорания через инжекторы 22 со значительно меньшим расходом с тем, чтобы не оказать существенного влияния на эксплуатационные способности двигателя и не увеличить уровень выбросов паров топлива в выхлопных газах.

Другое достоинство системы состоит в том, что топливо из сепаратора подается топливными инжекторами 22 напрямую в камеру сгорания в тот момент рабочего такта двигателя, когда его выхлопное отверстие должно быть закрыто. Благодаря этому предупреждается выход паров топлива из выхлопного отверстия в несгоревшем состоянии; если бы топливо из сепаратора попало в воздухозаборник, то часть несгоревшего топлива смогла выйти из открытого выхлопного отверстия. Именно так обстоит дело в двухтактных двигателях.

На рис. 3 изображен еще один вариант реализации изобретения, где имеется канал 30, осуществляющий связь сепаратора 10 с проходом 28, напрямую соединяющим воздушную камеру 16 двигателя с компрессором 20. В месте стыка прохода 28 с каналом 30 в проходе 28 предусмотрено регулирующее отверстие или трубка Вентури 31, и поскольку воздух имеет через нее от воздушной камеры 16 к компрессору 20, то на канал 30 оказывает влияние разрежение, создаваемое в центре трубки Вентури 31. Благодаря такой конструкции давление в канале 30 в основном прямо пропорционально расходу воздушного потока в проходе 28, который пропорционален скорости двигателя. Поэтому когда компрессор работает, то расход потока воздуха из сепаратора в проходе 28, где могут присутствовать пары топлива, в основном прямо пропорционален скорости двигателя. Следовательно, путем соответствующей калибровки трубки Вентури 31 можно установить связь между расходом воздушного потока из сепаратора в компрессор и скоростью двигателя.

Места, где осуществляется вход воздуха из воздушной камеры 16, не содержащего паров топлива, и паров топлива из топливного бака 11 в сепаратор 10 относительно канала 30, по которому воздух выход из сепаратора 10 к компрессору 20, выбираются таким образом, чтобы воздух, идущий как из воздушной камеры, так и из топливного бака, проходил в сепараторе 10 через фильтрующий материал 32. В результате содержание топлива в воздухе, идущем к компрессору, оказывается более равномерным. Фильтрующий материал в какой-то степени действует подобно накопителю топлива, поступающего из топливного бака, которое впоследствии высвобождается воздухом, проходящим к компрессору.

Поэтому блок электронного управления двигателем ECU 34, в функцию которого входит определение потребности двигателя в топливе, можно запрограммировать так, чтобы в процессе определения потребности в топливе блок электронного управления смог отрегулировать дозируемое количество топлива, поступающее через инжекторы в соответствии со скоростью двигателя, чтобы скомпенсировать то количество топлива, что в виде паров поступает вместе со сжатым воздухом, осуществляющим впрыск дозированного количества топлива.

Заметим, что при большом расходе топлива, например при больших нагрузках и скоростях, от сепаратора к компрессору поступает незначительное количество топлива в сравнении с его потребностью у двигателя. Поэтому когда двигатель работает в указанных условиях, то коррекцией топливного расхода для топлива, поступающего со сжатым воздухом, можно пренебречь. Но если двигатель работает на холостом ходу либо с малой скоростью или малой нагрузкой, то такая коррекция весьма важна для поддержания приемлемого уровня паров топлива в выхлопе. Блок электронного упpавления также можно запрограммировать так, чтобы обеспечить одиночную коррекцию топливного расхода в некотором диапазоне скоростей двигателя, так как реальная вариация истинной коррекции в пределах этого диапазона мала и не оказывает существенного влияния на эксплуатационные свойства двигателя либо на уровень паров топлива в выхлопе.

В системе управления двигателем в сепараторном канале 30 также может применяться разъединительное приспособление 29, выполненное в виде электромагнитного клапана. Электромагнитный клапан циклически открывает и закрывает сепараторный канал 30. Такой клапан предназначается для того, чтобы при нормальных условиях работы двигателя постараться обеспечить приемлемое установившееся содержание паров топлива в воздухе, поступающем из сепаратора 10 в проход 28, ведущий в компреcсор 20. Поэтому поток воздуха от сепаратора 10 к компрессору циклически прекращается, что позволяет накопить в сепараторе пары топлива, которые будут продуты из него при следующем открывании электромагнитного клапана.

Исследования показали, что наиболее подходящим циклом работы электромагнитного клапана является такой, когда он пять секунд открыт, и десять секунд закрыт.

Блок управления двигателем 34 программируется таким об разом, что когда электромагнитный клапан открыт и к компрессору поступает воздух, несущий пары топлива, то блок управления производит необходимую подрегулировку дозируемого количества топлива, впрыскиваемого инжектором в двигатель, о чем упоминалось выше. Если же электромагнитный клапан закрыт, то блок управления двигателем никакой коррекции в количестве дозируемого топлива не производит, так как в воздухе, идущем от компрессора, топливных паров нет. Заметим, что электромагнитный клапан может работать и таким образом, когда фиксированные интервалы открывания и закрывания отсутствуют, тогда эти интервалы могут модулироваться блоком управления ECU в зависимости от условий работы двигателя. ЫЫЫ2

Использование: многоцилиндровые двигательные установки внутреннего сгорания, в частности обработка паров топлива, образующихся в топливном баке. Сущность изобретения: многоцилиндровая двигательная установка внутреннего сгорания содержит воздушный компрессор 20, подключенный к его всасывающей стороне местом скопления паров топлива, сепаратор 10 паров топлива из топливовоздушной смеси, поступающей из топливного бака 12. Нагнетательная сторона компрессора 20 подключена к инжекторам 22 системы подачи топлива под давлением непосредственно в камеры сгорания. Установка может быть снабжена топливным распределителем с топливным каналом для обеспечения постоянной циркуляции топлива от топливного бака 12 и соответствующим топливным инжектором 22 и воздушным каналом для подачи к последним воздуха из компрессора 20. Установка может быть также снабжена трубкой 31 Вентури, устройством для избирательного прекращения воздушного потока из сепаратора 10 к компрессору 20 и программирующим средством 34 топливного дозирования для определения потребности двигателя в топливе в зависимости от рабочего состояния последнего с коррекцией по расходу топлива от сепаратора 10 к компрессору 20. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многоцилиндровая двигательная установка внутреннего сгорания, содержащая воздушный компрессор, подключенный к его всасывающей стороне сепаратор паров топлива из топливовоздушной смеси, поступающей из топливного бака, и систему подачи основного топлива в цилиндры двигателя, отличающаяся тем, что сепаратор подключен к всасывающей стороне компрессора местом скопления в нем паров топлива, а нагнетательная сторона компрессора соединена с инжекторами системы подачи топлива под давлением непосредственно в камеры сгорания цилиндров. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена топливным распределителем с топливным каналом для осуществления постоянной циркуляции топлива от топливного бака к соответствующим топливным инжекторам. 3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что упомянутый распределитель содержит воздушный канал для подачи воздуха из компрессора к соответствующим топливным инжекторам. 4. Установка по пп.1, 2 или 3, отличающаяся тем, что она снабжена средством управления для регулирования расхода потока воздуха к компрессору от сепаратора. 5. Установка по пп.1 3, отличающаяся тем, что компрессор со всасывающей стороны соединен дополнительным каналом с системой нагнетания воздуха двигателя в камеры сгорания. 6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что она снабжена трубкой Вентури, дополнительный канал соединен с каналом от сепаратора к компрессору, при этом трубка Вентури установлена в месте соединения каналов, а канал от сепаратора к компрессору подсоединен к ее горловине для регулирования расхода потока воздуха от сепаратора к дополнительному каналу. 7. Установка по п. 5 или 6, отличающаяся тем, что она снабжена устройством для избирательного прекращения воздушного потока из сепаратора к компрессору. 8. Установка по пп.5,6 или 7, отличающаяся тем, что она снабжена программирующим средством топливного дозирования для определения потребности двигателя в топливе в зависимости от рабочего состояния двигателя с коррекцией по расходу топлива от сепаратора к впуску компрессора.