СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ КОМПОЗИТНЫМ ТОПЛИВОМ Российский патент 1997 года по МПК F02M21/02 F02D19/00 

Настоящее изобретение относится к области техники двигателей внутреннего сгорания, а более конкретно к системам питания автомобильных двигателей.

Отличительными особенностями систем питания двигателей внутреннего сгорания композитных топливом (бензо-газовоздушной смесью) являются снижение выброса токсичных компонентов (окиси углерода, окиси азота) с отработавшими газами, уменьшение расхода жидкого топлива, снижение требований к антидетонационным свойствам топлива, увеличение срока службы двигателя и улучшение ряда эксплуатационных показателей автомобиля.

Все известные системы питания композитным топливом используют раздельные контуры подачи жидкого и газового топлива.

Известны системы питания композитным топливом [1, 2] Обе системы содержат баллоны с газом, запорное устройство, регулятор давления, газопровод, электромагнитный клапан и две ветви подачи газа. Одна ветвь служит для подачи газа в задроссельное пространство, другая в воздушный фильтр.

В системе [1] газ предварительно смешивается с воздухом, а в системе [2] используется часть отработавших газов. Двигатель, оборудованный такой системой, работает на холостом ходу на газовом топливе, а на всех других режимах на смеси бензина и газа. Основным недостатком данных систем является отсутствие регулировки подачи газового топлива в зависимости от режимов работы газового топлива в зависимости от режимов работы двигателя и, как следствие, невозможность обеспечения оптимального соотношения между жидким и газообразным топливами в различных режимах, т.к. количество газа, поступившего в двигатель, устанавливается из условия обеспечения устойчивой работы двигателя на холостом ходу.

Известна двухтопливная система питания двигателя автомобиля "Волга" [3]
В отличие от рассмотренных выше в данной системе газ после электромагнитного клапана и ручного регулятора расхода через иглу, зажатую в дополнительной прокладке и выполняющую роль жиклера, подается во впускной коллектор двигателя. Данной системе присущи все недостатки ранее рассмотренных систем и, кроме того, в системе непредусмотрено предварительное смешивание газового топлива с воздухом для получения однородной газовоздушной смеси, что отрицательно сказывается на экономии как жидкого, так и газообразного топлива.

Известны системы питания двигателей [4,5] газовая часть которых содержит элементы, соединенные между собой таким образом, что образованы два параллельных контура подачи газового топлива. Один из контуров снабжен электрическим устройством управления подачи газового топлива, которое имеет датчик открытия дроссельной заслонки карбюратора двигателя и исполняющий механизм (коммутационное реле с электромагнитным клапаном), включающий в работу указанный контур. Таким образом, в этих системах предпринята попытка устранения одного из главных недостатков ранее рассмотренных систем, а именно отсутствия регулировки подачи газовоздушной смеси для поддержания оптимального соотношения между жидким и газообразным топливом на различных режимах работы двигателя.

Основным недостатком данных систем является дискретность регулирования (два фиксированных режима), не позволяющая оптимизировать соотношение между количеством жидкого и газообразного топлива на всех режимах работы двигателя, и связанный с этим повышенный расход топлива, повышенная токсичность отработанных газов, снижение динамических характеристик автомобиля.

К существенным недостаткам всех рассмотренных выше систем следует отнести также повышенную пожароопасность по сравнению с двигателями, работающими только на бензине. Это вызвано тем, что, поскольку вся система до запорного электромагнитного клапана находится под давлением, при недостаточной герметичности клапана либо в случае остановки двигателя с неснятом напряжении с катушки электромагнита клапана газ самопроизвольно будет заполнять впускной коллектор, воздушный фильтр и скапливаться в подкапотном пространстве. В этом случае попытка повторного запуска двигателя может принести к взрыву газовоздушной смеси.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой системе (прототип) является система питания двигателя внутреннего сгорания композитным топливом [6] содержащая контур подачи жидкого топлива в карбюратор, снабженный воздушным жиклером главной топливной системы и дроссельной заслонкой, и магистраль газового топлива с газовой емкостью, регулятором давления и запорным клапаном, имеющую два контура подачи газового топлива; каждый контур снабжен автоматическим регулятором подачи газового топлива с корпусом, выполненным со штуцером подвода газа и штуцером отбора газового топлива; камера корпуса каждого регулятора подачи газового топлива разделена мембраной на полости, одна из которых сообщение с атмосферой, а в другой установлен дозирующий клапан с коническим седлом и тарельчатым запорным элементом, связанным с основным толкателем и с пружиной; регулятор подачи газового топлива первого контура выполнен с возможностью управления разрежением во впускном коллекторе двигателя и его штуцер отбора газового топлива соединен с формирователем разрежения, размещенным в задроссельном пространстве.

Недостатком системы-прототипа является относительно малое замещение жидкого топлива газовым.

Задачей настоящего изобретения является повышение замещения жидкого топлива газообразным и снижение эмиссии вредных веществ с отработавшими газами.

Решение задачи достигается тем, что в предлагаемой системе, содержащей перечисленные выше существенные признаки системы-прототипа, дополнительно в канале каждого штуцера отбора газового топлива установлен регулировочный элемент в виде иглы; каждый тарельчатый запорный элемент закреплен на основном штоке, связанном с его толкателем, толкатель каждого основного штока закреплен на мембране; один конец пружины соединен с основным штоком, а другой с корпусом регулятора подачи газового топлива; штуцер отбора газового топлива регулятора подачи газового топлива второго контура соединен с воздушным жиклером главной топливной системы, а указанный регулятор снабжен дополнительным толкателем, имеющим дополнительный шток, а последний снабжен электромагнитным приводом, связанным с датчиком положения дроссельной заслонки, и соединен с толкателем основного штока дозирующего клапана.

На фиг. 1 схематично представлена предлагаемая система питания двигателя внутреннего сгорания композитным топливом; на фиг. 2 конструктивная схема регулятора подачи газовоздушной смеси второго контура.

Газовая часть системы (фиг. 1) состоит из баллонов 1 для хранения запаса сжиженного газа, переходного устройства 2, тройника 3, регулятора давления газа 4, газопровода 5, запорного электромагнитного клапана 6, разветвителя 7, регуляторов подачи газовоздушной смеси первого контура 8 и второго контура 9. Штуцеры подвода газа 10 регуляторов 8, 9 встроенными дозирующими клапанами соединены с разветвителем 7. Штуцер отбора газовоздушной смеси 11 регулятора первого контура 8 соединен с формирователем разрежения 12, установлены между приемным фланцем 13 и корпусом дроссельных заслонок 14 карбюратора 15. Штуцер отбора газовоздушной смеси 16 регулятора второго контура 9 через переходник 17 воздушного фильтра 18 соединен с удлинителем 19 воздушного жиклера первой камеры главной топливной системы карбюратора. Регулятор подачи газовоздушной смеси второго контура 9 снабжен электромагнитным толкателем 20. На корпусе карбюратора 15 установлен датчик положения дроссельных заслонок 21. Контур подачи жидкого топлива включает в себя бензобак 22, бензопровод 23, соединяющий бензобак с поплавковой камерой 24 карбюратора 15, который соединен с фланцем впускного коллектора 13 двигателя.

В корпусе регулятора подачи газовоздушной смеси второго контура (фиг. 2) установлены штуцер 26 подвода воздуха и штуцер отбора газовоздушной смеси 16 со встроенными игольчатыми регуляторами, а также штуцер подвода газа 10 с встроенным дозирующим клапаном, состоящим из конического седла 27 и тарельчатого запорного элемента 28, соединенного со штоком 29, проходящим внутри седла; другой конец штока соединен с пружиной 30, закрепленной на корпусе регулятора 25. Мембрана 31, разделяющая внутренний объем регулятора, снабжена толкателем штока 32. Корпус регулятора снабжен отверстиями 33 для сообщения надмембранного объема с атмосферой. На корпусе регулятора установлен электромагнит 34. Один конец сердечника 35, электромагнита через шток 36 соединен с толкателем 32, другой конец снабжен пружиной 37, регулировочной гайкой 38 и контргайкой 39.

Работа системы происходит следующим образом.

При работе двигателя в режиме холостого хода и при отключенной системе холостого хода по жидкому топливу газ из баллонов 1 через регулятор давления газа 4, клапан 8 по газопроводу 5 поступает на входе регуляторов подачи газовоздушной смеси. На выходе регулятора первого контура создается раздражение, которое вызывает прогиб мембраны. Толкатель мембраны взаимодействует на шток дозирующего клапана, вызывая перекос запорного элемента клапана. Через образовавшуюся щель между седлом и тарелкой клапана газ поступает внутрь корпуса регулятора, смешивается с воздухом, поступающим через штуцер подвода воздуха, и через штуцер отбора газовоздушной смеси подается в формирователь разрежения, а затем во впускной коллектор двигателя. Количество поступающей газовоздушной смеси автоматически регулируется за счет прямой зависимости между разрежением, действующим на выходе регулятора, и величиной открытия дозирующего клапана. Исходное забеднение газовоздушной смеси и ее количество устанавливается игольчатыми регуляторами, встроенными в штуцер подвода воздуха и отбора газовоздушной смеси. При закрытых дроссельных заслонках карбюратора разрежение в малом диффузоре главной дозирующей системы практически отсутствует и, соответственно, перепад давления над мембраной и под мембраной регулятора второго контура равен нулю. Дозирующий клапан этого регулятора закрыт, а газ в главную дозирующую систему карбюратора не поступает. При открытии дроссельной заслонки первой камеры карбюратора создается разрежение в малом диффузоре, которое вызывает перепад давлений над и под мембраной 31; происходит прогиб мембраны; шток 36 электромагнита, преодолевая усилие пружины 37, воздействуют на шток 29 дозирующего клапана, осуществляя подачу газовоздушной смеси в главную дозирующую систему карбюратора. Одновременно при открытии дроссельной заслонки датчик положения дроссельной заслонки включает электромагнит регулятора второго контура, сердечник 35 которого через шток 36 дискретно воздействует на толкатель 32 мембраны 31, обогащая дозировку газовоздушной смеси, поступающей в главную топливную систему карбюратора. Установочная величина обогащения регулируется при помощи регулировочной гайки 38 и контргайки 39. В дальнейшем количество подаваемой газовоздушной смеси управляется автоматически разрежением в малом диффузоре карбюратора. Процесс смесеобразования главной топливной системы карбюратора обеспечивается штатной системой дозирования жидкого топлива и удлинителем смесителем воздушного жиклера 19. Газ, количество которого формируется вышеописанной работой регулятора подачи смеси второго контура, поступает в удлинитель-смеситель 19, где происходит его эмульсирование воздухом, поступающим через воздушный жиклер удлинителя, и далее газовоздушная эмульсия направляется в эмульсионный колодец главной топливной системы карбюратора, в котором формируется газо-воздушнобензиновая эмульсия. Последняя поступает в малый диффузор гласной топливной системы карбюратора. Необходимые пределы обеднения обеспечиваются установочной калибровкой воздушного жиклера удлинителя 19.

Таким образом, в режиме холостого хода двигателя работает на газовоздушной смеси, поступающей через первый контур; на режимах средних оборотов двигатель работает на бензо-газо-воздушной смеси, причем газовоздушная смесь поступает через первый и второй контуры; на режимах средних и высоких оборотов увеличение замещения жидкого топлива газообразным происходит за счет поступления газовоздушной смеси через второй контур. При этом на всех режимах управление подачей газового топлива происходит автоматически за счет разрежения в малом диффузоре карбюратора:
Предлагаемое изобретение обеспечивает по сравнению с известными повышение величины замещения жидкого топлива газообразным и снижение эмиссии вредных веществ с отработавшими газами за счет автоматического поддержания оптимального состава смеси в широком интервале рабочих режимов двигателя.

Предлагаемая система прошла стендовые испытания в Научно-производственном объединении топливной аппаратуры ЦНИИТА/ и натурные испытания на автомобиле ВАЗ-21011. Испытания системы показали что расход бензина для условий городского цикла по ГОСТу 17.2.2.032-87 уменьшился с 13,0 л на 100 км до 6,5 л на 100 км, т.е. на 50% при уменьшении концентрации окиси углерода в отработавших газах с 1,5% до 0,1 на режиме минимальных оборотов двигателя и с 1,0% до 0,1% на повышенных оборотах, и в уменьшении концентрации углеводородов с 350 млн^-1 o 210 мин^-1 на режиме минимальных оборотов двигателя и со 140 млн^-1 до 50 млн^-1 на повышенных оборотах. Предлагаемая система позволяет на трассе при скоростях движения автомобиля на прямой передаче от 40 км/час до 90 км/час сократить потребление бензина на 67% /40 км/час/ и на 25% /90 км/час/, т.е. в среднем на менее, чем на 30-35%
Источники информации
1. Система питания бинарным топливом двигателя автомобиля "Жигули". Информационный листок N 278-89. ЛМТЦН-ТИП, 1989.

2. Модернизация микроавтобуса "РАФ-2203". Информационный листок N 1100-89, ЛМТЦНТИП, 1989.

3. Двухтопливная система питания двигателя автомобиля "Волга". Информационный листок N 115-90, ЛМТЦН-ТИП, 1990.

4. Система питания "Бинар-1" автотранспортных двигателей. Информационный листок N 126-90, ЛМТЦНТИП, 1990.

5. Патент СССР N 1607692. Система питания двигателя внутреннего сгорания. Карпенко Ю. М. 1990.

6. Патент СССР N 1653545. Система газового топлива для двигателя внутреннего сгорания, 1991.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: имеются два контура подачи газового топлива, снабженных автоматическими регуляторами подачи газа, управляемыми разрежением во впускном коллекторе двигателя, причем регулятор второго контура снабжен электромагнитным толкателем, управляемым датчиком положения дроссельной заслонки карбюратора, и обеспечивает дополнительное замещение жидкого топлива газообразным. 2 ил.

Система питания двигателя внутреннего сгорания композитным топливом, содержащая контур подачи жидкого топлива в карбюратор, снабженный воздушным жиклером главной топливной системы и дроссельной заслонкой, и магистраль газового топлива с газовой емкостью, регулятором давления и запорным клапаном, имеющую два контура подачи газового топлива, каждый из которых снабжен автоматическим регулятором подачи газового топлива с корпусом, выполненным со штуцером подвода газа и штуцером отбора газового топлива, причем камера корпуса каждого регулятора подачи газового топлива разделена мембраной на полости, одна из которых сообщена с атмосферой, а в другой установлен дозирующий клапан с коническим седлом и тарельчатым запорным элементом, связанным с основным толкателем и с пружиной, а регулятор подачи газового топлива первого контура выполнен с возможностью управления разрежением во впускном коллекторе двигателя и его штуцер отбора газового топлива соединен с формирователем разрежения, размещенным в задроссельном пространстве, отличающаяся тем, что в канале каждого штуцера отбора газового топлива установлен регулировочный элемент в виде иглы, каждый тарельчатый запорный элемент закреплен на основном штоке, связанном с его толкателем, толкатель каждого основного штока закреплен на мембране, один конец пружины соединен с основным штоком, а другой с корпусом регулятора подачи газового топлива, штуцер отбора газового топлива регулятора подачи газового топлива второго контура соединен с воздушным жиклером главной топливной системы, а указанный регулятор снабжен дополнительным толкателем, имеющим дополнительный шток, причем последний снабжен электромагнитным приводом, связанным с датчиком положения дроссельной заслонки, и соединен с толкателем основного штока дозирующего клапана.