СПОСОБ РАБОТЫ ДВУХТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ГАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02M13/08 F02M21/00 F02B69/04 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам работы двухтопливной системы питания газового двигателя внутреннего сгорания и устройствам для их осуществления.

Известен способ работы газового двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления, заключающиеся в том, что сжатый природный газ заправляют в баллоны, редуцируют и подают его во впускной тракт, смешивают с воздухом, образовавшуюся горячую смесь подают в цилиндры двигателя и воспламеняют ее при неизменной величине угла опережения зажигания.

Устройство, реализующее данный способ, содержит газовые баллоны, редуктор-регулятор, переключатель вида топлива, связанный электрической цепью с электромагнитным газовым и бензиновым клапанами, и карбюратор-смеситель, связанный с газовым редуктором-регулятором и бензиновым насосом [1]
Недостаток данного способа работы газового двигателя внутреннего сгорания связан с одноступенчатым редуцированием и отсутствием подогрева газа, сопровождающимися тем, что в результате резкого снижения давления происходит заметное охлаждение газа и замерзание выпадающей в осадок влаги в редуцирующей ступени редуктора-регулятора. Кроме того, сжатый газ, заправляемый в баллоны при максимальной величине давления, равной 15,0 МПа, обладает невысокой энергоемкостью и снижением запаса хода автомобиля.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, являются способ работы двухтопливной системы питания газового двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления, заключающиеся в том, что осуществляют раздельную заправку системы питания бензином и сжатым газом, редуцируют и дозируют газ во впускной тракт, смешивают его с воздухом с образованием газовоздушной смеси, подают последнюю в цилиндры двигателя и воспламеняют газовоздушную смесь при неизменной величине установочного угла опережения зажигания. Устройство содержит источник хранения газа с заправочным и расходным вентилями, одноступенчатый газовый редуктор высокого давления, связанный через электромагнитный газовый клапан с двухступенчатым газовым редуктором низкого давления, содержащим входную и выходную ступени редуцирования и экономайзер рабочих режимов, карбюратор-смеситель с газосмесительным устройством и переключатель вида топлива, связанный электрической цепью с электромагнитным бензиновым и газовым клапанами [2]
Недостаток данного технического решения связан с нестабильной величиной газа в выходной ступени, неконтролируемой величиной температуры газа, поступающего во впускной тракт, что сопровождается ухудшением эксплуатационных качеств двухтопливной системы питания газового двигателя внутреннего сгорания.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных качеств двухтопливной системы питания газового двигателя внутреннего сгорания.

Поставленная цель достигается тем, что сжатый газ по меньшей мере два раза последовательно редуцируют с одновременным его подогреванием, при этом величину установочного угла опережения зажигания автоматически изменяют в зависимости от применяемого вида топлива, величину установочного угла опережения зажигания при работе на газовоздушной смеси выбирают в 2-3 раза больше по сравнению с бензовоздушной смесью, причем нижний предел воспламенения относят к газовоздушной смеси сжиженного нефтяного газа, а верхний предел воспламенения сжатого природного газа, температуру редуцируемого газа в выходной ступени газового редуктора автоматически поддерживают в пределах 4-50^oC.

Устройство дополнительно снабжено электронным блоком управления, корректором величины угла опережения зажигания, электромагнитным пусковым и магистральным запорным клапанами, газовый редуктор дополнительно снабжен входной ступенью высокого давления с газовым фильтром, жидкостным подогревателем редуцируемого газа с термостатом и средствами регулирования давления по ступеням, корректор величины угла опережения зажигания выполнен в виде электронной схемы, обеспечивающей задержку электрического импульса заданной величины, и связан электрической цепью с электронным блоком управления и исполнительными функциональными элементами, входная ступень высокого давления выполнена в виде замкнутой полости и запорного элемента с приводом, средства регулирования давления газа по ступеням выполнены в виде пружины, подвижного штока с приводом и нажимной шайбы, а термостат выполнен в виде полого цилиндра переменного объема с наполнителем и запорным элементом и размещен на входе в жидкостной подогреватель газового редуктора, электромагнитный магистральный запорный клапан размещен между входной и промежуточной ступенями и связан электрической цепью с корректором величины угла опережения зажигания, электромагнитный пусковой клапан снабжен сердечником с уплотнителем и связан электрической цепью с корректором угла опережения зажигания, экономайзер рабочих режимов снабжен крышкой и мембраной, размещенной с образованием управляющей вакуумной и топливной камер, топливным клапаном и перегородкой с дозирующим отверстием, снабженным с выходной ступенью редуктора, причем управляющая камера сообщена с задроссельным пространством, а топливная камера с одной стороны сообщена с выходной ступенью, а с другой с карбюратором-смесителем, газосмесительное устройство снабжено кольцевыми смесителями, размещенными соосно камер между корпусом поплавковой и смесительной камер, и подпружиненным обратным клапаном, сообщенным с задроссельным пространством.

Отличительные признаки предлагаемого технического решения не обнаружены авторами ни в патентной, ни в технической литературе, что при наличии положительного эффекта подтверждает соответствие его критериям "охраноспособность" и "существенные отличия".

На фиг. 1 показана принципиальная схема двухтопливной системы питания газового двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 принципиальная схема трехступенчатого газового редуктора двухтопливной системы питания; на фиг.3 - схема газосмесительного устройства карбюратора-смесителя; на фиг.4 разрез А-А на фиг. 3.

Двухтопливная система питания содержит источник 1 сжатого газа, включающий восемь баллонов, соединенных между собой с помощью стальных бесшовных трубопроводов 2 и разделенных между собой на две группы 3 и 4 - переднюю и заднюю соответственно, по четыре баллона в каждой.

Запорная арматура содержит распределительную крестовину 5, снабженную основным расходным и заправочным вентилями 6 и 7 соответственно. Передняя и задняя группа баллонов снабжена вентилями 8 и 9 соответственно.

Давление газа в баллонах контролируют при помощи манометра 10 высокого давления, установленного на первом баллоне передней группы. В дальнейшем возможна установка дистанционного манометра в кабине водителя.

Отдельные звенья трубопровода 2 высокого давления снабжены компенсаторами 11, предотвращающими их повреждение в случае возможного перемещения платформы или смещения газовых баллонов.

От вентиля 6 сжатый газ по трубопроводу 12, снабженному переходными штуцерами, поступает в трехступенчатый редуктор-подогреватель 13, где происходит последовательное снижение давления по ступеням от 19,6 МПА до 80±20 Па.

На входе редуктора-подогревателя 13 размещены входной штуцер 14 с фильтром, датчик 15 контрольной лампы 16, загорающейся при снижении давления менее 0,34 МПа, электромагнитный пусковой 17 и предохранительный магистральный 18 клапаны, предохранительный клапан 19, входной и выходной штуцеры 20 и 21, сообщенные с системой охлаждения двигателя, и дозирующе-экономайзерное устройство 22 со штуцером 23.

Входная ступень редуктора-подогревателя через 24 сообщена с манометром 25, размещенным в кабине водителя.

Карбюратор-смеситель 26 снабжен газосмесительным устройством 27 основной подачи газа, размещенным между поплавковой камерой 28 и корпусом 29 смесительной камеры с дроссельной заслонкой 30, и газосмесительной проставкой 31 системы холостого хода, размещенной между корпусом 29 смесительной камеры и впускным трубопроводом 32. Дозирующе-экономайзерное устройство 22 через трубопровод 33 сообщено с газосмесительным устройством 27 и через дополнительный трубопровод 34 с газосмесительной проставкой 31, а через трубопровод 35 сообщено с задроссельным пространством карбюратора-смесителя 26.

Бензиновая система питания является полноценной топливной системой и содержит бензиновый бак 36, сообщенный через бензиновый фильтр 37, бензопровод 38 и электромагнитный бензиновый клапан 39 с фильтром с поплавковой камерой 28 карбюратора-смесителя 26, содержащего равноценную бензиновую систему холостого хода.

Электронный блок 40 содержит переключатель 41 вида топлива, корректор 42 величины установочного угла опережения зажигания, пусковую кнопку 43, контрольную лампу 16, восемь электрических выводов, связанных электрической цепью с аккумуляторной батареей 44 и функциональными элементами системы питания с электрическим приводом.

Электронный блок 40 управления электрической цепью связан с транзисторным коммутатором 45 и прерывателем 46 распределителя зажигания. Коммутатор 45 снабжен электрическим выводом 47, сообщенным с электронным блоком 40, а также электрическими выводами 48 и 49, сообщенными с катушкой зажигания, и электрическим выводом 50, сообщенным с прерывателем 46 распределителя зажигания.

Редуктор-подогреватель представляет собой трехступенчатый автоматический регулятор давления диафрагменного типа с рычажной системой передачи от диафрагмы к запорным клапанам.

Редуктор состоит из корпуса 51, верхней и нижней крышек 2 и 3 соответственно. Он имеет три ступени редуцирования, соответственно входную 54 высокого давления, промежуточную 55 и выходную 56 низкого давления, каждая из которых содержит клапан, диафрагму, пружину и рычаг, соединяющий диафрагму с клапаном.

Входная ступень 54 содержит газоподводящий штуцер 57, в полости которого размещены сетчатый и войлочный фильтры 58 и 59 соответственно, предохранительный клапан 60, запорный клапан 61 входной ступени с уплотнителем 62, перекрывающим седло 63 входящего газа высокого давления.

Запорный клапан 61 через рычаг 64 и шток 65 кинематически связан с мембраной 66 входной ступени. Давление газа, поступающего в полость ступени 54 высокого давления, воздействует на мембрану 66, преодолевая усилие пружины 67, и при достижении заданной величины давления она через рычаг 64, клапан 61 перекрывает седло 63 входа газа. Средство регулирования величины давления во входной ступени содержит пружину 67, нажимную шайбу 68 и подвижный по резьбе регулировочный шток 69.

Входная ступень 54 снабжена подогревающей полостью 70, сообщенной через подводящий штуцер 71 с системой охлаждения двигателя. Для поддержания заданной температуры редуцируемого газа на входе в подогревающую полость 70 размещен термостат 72, выполненный в виде полого цилиндра 73 переменного объема с наполнителем и запорным элементом 74. Подогрев газа во входной ступени необходим для компенсации резкого понижения температуры расширяющегося газа, вызванного значительным перепадом давления до и после запорного клапана 61. Подогрев редуцируемого газа осуществляется путем теплопередачи через корпус 51 от теплоносителя, проходящего через подогревающую полость 70 входной ступени.

Промежуточная ступень 55 содержит запорный клапан 75 с уплотнителем 76, размещенным на рычаге 77, кинематически связанным через шток 78 с мембраной 79, и седло 80. Надмембранная полость промежуточной ступени 55 через отверстие 81 сообщена с атмосферой.

Между входной 54 и промежуточной 55 ступенями размещен магистральный электромагнитный клапан 82 с запорным элементом 83, перекрывающим седло 84 канала подачи газа в промежуточную ступень 55 газового редуктора-подогревателя. Газоподводящий патрубок 85 выполнен за одно целое с корпусом крышки 52, трубопровод высокого давления имеет манометр 25 прямого действия, размещенный в кабине водителя.

Пусковая система снабжена электромагнитным клапаном 86, содержащим подвижный сердечник с уплотнителем 87, соединительным каналом 88 и выходным каналом 89 подачи газа с дросселем 90, сообщенным с выходным патрубком 91.

Выходная ступень 56 содержит запорный клапан 92 с уплотнителем 93, перекрывающим седло 94, и двуплечий рычаг 95, одним концом связанный с клапаном 92, а другим через шток 96 с мембраной 97 и через шток 98 с мембраной 99 разгрузочного устройства 100, и пружину 101, жесткость которой регулируют с помощью винта 102.

Разгрузочное устройство 100 снабжено пружиной 103 и через штуцер 104 сообщено с задроссельным пространством. Пружина 101 при неработающем двигателе создает усилие, которое через рычажную систему передается на клапан 92 и запирает его, надежно перекрывая выход газа к карбюратору-смесителю.

Между нижней крышкой 53 и мембраной 97 образована атмосферная полость 105, сообщенная с атмосферой через отверстие 106.

Дозирующе-экономайзерное устройство состоит из крышки с размещенной в ней вакуумной полостью 107 и сообщенной через штуцер 108 с задроссельным пространством. Клапан 109 перекрывает отверстие 110, размещенное в перегородке. В дозирующей пластине 111 размещены дозирующие отверстия мощностной 112 и экономичной 113 регулировок. Мембрана 114 с обеих сторон нагружена пружинами.

Выходная полость 56 через отверстие 113 экономичной регулировки, канал 115 и выходной патрубок 91 сообщена с карбюратором-смесителем, а через отверстие 112 мощностной регулировки, канал 116 и отверстие 110 с патрубком 91.

Газосмесительное устройство 27 содержит входной патрубок 117, кольцевые диффузоры 118 с дозирующими отверстиями 119, обратный клапан 120 с мембраной 121, размещенной с образованием надмембранной и подмембранной полостей 122 и 123 соответственно, причем надмембранная полость 122 сообщена с системой холостого хода, а подмембранная с проставкой 31 холостого хода.

Средства регулирования величины давления в промежуточной ступени 55 содержат пружину 124, нажимную шайбу 125 и подвижный по резьбе регулировочный шток 126.

Двухтопливная система питания работает следующим образом.

Сжатый природный газ из баллона 1 через расходный 8 или 9 вентили и расходный магистральный вентиль 6, трубопровод 12, входной штуцер 14, пройдя фильтры 58 и 59, поступает во входную ступень 54 редуктора-подогревателя. При неработающем двигателе сила, возникающая от давления газа на мембрану 66, уравновешивает силу пружины 67 и усилие от давления на клапан 61, вследствие чего последний прижимается к седлу 63 и герметично закрывает входное отверстие.

В момент пуска двигателя мембрана 97 разгрузочного устройства 100, сообщенного с задроссельным пространством, под действием разрежения прогибается и сжимает пружину 103 и разгружает клапан 92. Сила пружины 101 становится недостаточной для удержания клапана 92 в закрытом положении и он открывается под действием газа.

Сжатый природный газ последовательно редуцируют во входной, промежуточной и выходной ступенях с одновременным его подогревом. Интенсивность подогрева газа осуществляют путем подачи теплоносителя через входной и выходной штуцеры 20 и 21 соответственно. Температуру редуцируемого газа в выходной ступени 56 газового редуктора-подогревателя автоматически поддерживают с помощью термостата 72 в пределах 40-50^oC.

При малом расходе газа (режим холостого хода) в выходной полости 56 создается избыточное давление порядка 80±20 Па. С увеличением расхода газа давление в выходной ступени 56 постепенно уменьшается. При этом клапан 92 под действием давления газа в промежуточной ступени 55 отходит от седла 94 на большую величину, увеличивая проходное сечение для прохода газа.

Необходимый состав горючей смеси на режимах холостого хода образуется в газосмесительной проставке 31, куда газ поступает по трубопроводу 34. Необходимый состав горючей смеси на эксплуатационных нагрузочных режимах поддерживается с помощью дозирующе-экономайзерного устройства.

При переходе с одного вида топлива на другой корректор 42 автоматически с помощью электронных средств обеспечивает изменение установочного угла опережения зажигания. При этом величину установочного угла опережения зажигания при работе на газовоздушной смеси выбирают в 2-3 раза больше по сравнению с бензовоздушной смесью, причем нижний предел воспламенения относят к газовоздушной смеси сжиженного нефтяного газа, а верхний предел воспламенения сжатого природного газа.

Надежный пуск холодного двигателя при отрицательных температурах обеспечивается при помощи пусковой системы. В процессе пуска холодного двигателя необходимо кратковременное включение пускового клапана 86 для того, чтобы газ из промежуточной ступени 55, минуя выходную ступень 56, поступая в карбюратор-смеситель 26. Работа газовой аппаратуры контролируется с помощью контрольной лампы 16 и манометра 25.

Величина давления газа в баллонах 1 практически пропорциональна количеству содержащегося в них газах. Максимальное рабочее давление газа в баллонах составляет 19,6 МПа. Общая вместимость баллонов 400 л, объем заправляемого газа 80 м³. Вырабатывать газ из системы топливоподачи меньше 0,34 МПа не рекомендуется.

Основные технические решения предлагаемого способа работы двухтопливной системы питания газового двигателя внутреннего сгорания и устройства для его осуществления реализованы в конструкции газовой аппаратуры, выпускаемой серийно АО "Аскольд".

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: система питания содержит источник 1 сжатого газа, включающий восемь баллонов, соединенных между собой с помощью стальных бесшовных трубопроводов 2 и разделенных между собой на две группы 3 и 4 - переднюю и заднюю соответственно. Запорная арматура содержит распределительную крестовину 5, снабженную основным расходным и заправочным вентилями 6 и 7 соответственно. На входе редуктора-испарителя 13 размещен входной штуцер 14 с фильтром, датчик 15 контрольной лампы 16, загорающийся при снижении давления менее 0,34 МПа, электромагнитный пусковой 17 и предохранительный магистральный 18 клапаны, предохранительный клапан 19, входной и выходной штуцеры 20 и 21, сообщенные с системой охлаждения двигателя, и дозирующе-экономайзерное устройство 22 со штуцером 23. Бензиновая система питания является полноценной топливной системой и содержит бензиновый бак 36, сообщенный через бензиновый фильтр 37, бензопровод 38 и электромагнитный бензиновый клапан 39 с фильтром с поплавковой камерой 23 карбюратора-смесителя 26, содержащего равноценную бензиновую систему холостого хода. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ работы двухтопливной системы питания газового двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что осуществляют раздельную заправку систем питания бензином и сжатым газом, редуцируют и дозируют газ во впускной тракт, смешивают его с воздухом с образованием газовоздушной смеси, подают последнюю в цилиндры двигателя и воспламеняют газовоздушную смесь при неизменной величине установочного угла опережения зажигания, отличающийся тем, что сжатый газ по меньшей мере два раза последовательно редуцируют с одновременным его подогреванием, при этом величину установочного угла опережения зажигания автоматически изменяют в зависимости от применяемого вида топлива. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину установочного угла опережения зажигания при работе на газовоздушной смеси выбирают в 2 3 раза больше по сравнению с бензовоздушной смесью, причем нижний предел воспламенения относят к газовоздушной смеси сжиженного нефтяного газа, а верхний предел воспламенения сжатого природного газа. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру редуцируемого газа в выходной ступени газового редуктора автоматически поддерживают в пределах 40 50^oС. 4. Устройство двухтопливной системы питания газового двигателя внутреннего сгорания, содержащее источник хранения газа с заправочным и расходным вентилями, одноступенчатый газовый редуктор высокого давления, связанный через электромагнитный газовый клапан с двухступенчатым газовым редуктором низкого давления, содержащим входную и выходную ступени редуцирования и экономайзер рабочих режимов, карбюратор-смеситель с газосмесительным устройством и переключатель вида топлива, связанный электрической цепью с электромагнитным бензиновым и газовым клапанами, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено электронным блоком управления, корректором величины угла опережения зажигания, электромагнитным пусковым и магистральным запорным клапанами, газовый редуктор дополнительно снабжен входной ступенью высокого давления с газовым фильтром, жидкостным подогревателем редуцируемого газа с термостатом и средствами регулирования давления по ступеням, корректор величины угла опережения зажигания выполнен в виде электронной схемы, обеспечивающей задержку электрического импульса заданной величины и связан электрической цепью с электронным блоком управления и исполнительными функциональными элементами, входная ступень высокого давления выполнена в виде замкнутой полости и запорного элемента с приводом, кинематически связанным с мембраной, нагруженной пружиной, средства регулирования давления газа по ступеням выполнены в виде пружины, подвижного штока с приводом и нажимной шайбы, а термостат выполнен в виде полого цилиндра переменного объема с наполнителем и запорным элементом и размещен на входе в жидкостной подогреватель газового редуктора. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что электромагнитный магистральный запорный клапан размещен между входной и промежуточной ступенями и связан электрической цепью с корректором величины угла опережения зажигания. 6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что электромагнитный пусковой клапан снабжен сердечником с уплотнителем и связан электрической цепью с корректором угла опережения зажигания. 7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что экономайзер рабочих режимов снабжен крышкой и мембраной, размещенной с образованием управляющей вакуумной и топливной камер, топливным клапаном и перегородкой с дозирующим отверстием, сообщенным с выходной ступенью редуктора, причем управляющая камера сообщена с задроссельным пространством, а топливная камера с одной стороны сообщена с выходной ступенью, а с другой с карбюратором-смесителем. 8. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что газосмесительное устройство снабжено кольцевыми смесителями, размещенными соосно с камерами между корпусами поплавковой и смесительной камер, и подпружиненным обратным клапаном, сообщенным с задроссельным пространством.