НАСОСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖАНИЯ ИСПАРЕНИЯ ТОПЛИВА И СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ ИСПАРЕНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 2000 года по МПК F02M25/08 

Известный уровень техники
Изобретение относится к насосному устройству для системы поддержания испарения топлива или к системе поддержания испарения топлива согласно признакам п.1 и п.5 формулы изобретения.

Уже известно насосное устройство (WO 94/15090), которое предусмотрено для испытания на герметичность системы поддержания испарения топлива, чтобы при помощи данного насосного устройства подавать в топливный бак двигателя внутреннего сгорания через воздушный патрубок адсорбционного фильтра определенный объем воздуха, что приводит к повышению давления. Для того, чтобы убедиться, что система поддержания испарения топлива надлежащим образом герметизирована, по окончании роста давления ожидают в течение достаточно длительного времени, чтобы по спаду давления в системе поддержания испарения топлива сделать заключения о наличии утечки, причем время, в течение которого произошел спад давления, служит критерием величины отверстия, через которое происходит утечки. Кроме того, в системе поддержания испарения топлива имеется регенерационный клапан, установленный между адсорбционным фильтром и впускной трубкой двигателя, чтобы через него выводит во впускную трубу топливный пар, накопившийся за прошедшее время в фильтре.

Указанное в описании известного уровня техники насосное устройство имеет диафрагму, на которую попеременно воздействует вакуум и давление окружающей среды. Вакуум при работающем двигателе внутреннего сгорания забирается из впускной трубы двигателя по вакуумному шлангу и подается через переключательный клапан, выполненный, например, в виде электромагнитного клапана, в насосную полость, ограниченную переключательным клапаном и диафрагмой насоса. Путем переключения этого клапана в насосной полости попеременно создается вакуум и давление окружающей среды. При воздействии вакуума на насосную полость диафрагма передвигается вверх, преодолевая силу нажима насосной пружины, а воздух из подводящего трубопровода входит в находящуюся напротив насосной полости напорную полость, которая заключена между диафрагмой и двумя запорными клапанами - клапаном разрежения и клапаном избыточного давления. При последующем воздействии на насосную полость давления окружающей среды диафрагма двигается под действием силы нажима насосной пружины в противоположном направлении, сжимая находящийся в напорной полости воздух. По достижении определенного избыточного давления в напорной полости открывается клапан избыточного давления, в результате чего сжатый в напорной полости окружающий воздух может через напорный трубопровод перетечь в воздушный патрубок адсорбционного фильтра, чтобы вызвать таким образом повышение давления в топливном баке. Только во время работы насосного устройства отсекающий клапан, установленный между подводящим и напорным трубопроводом параллельно запорным вентилям, занимает запертое положение, в котором прерывается соединение подводящего трубопровода с напорным. Если не предусмотрено применение насосного устройства или испытание системы поддержания испарения топлива на герметичность, то отсекающий клапан остается в открытом положении, чтобы в этом положении выводить окружающий воздух, например, через фильтр окружающего воздуха, предусмотренный в подводящем трубопроводе, в адсорбционный фильтр для регенерации последнего.

Насосное устройство, создающее избыточное давление для испытания на герметичность, известно также из WO 94/17298, где в качестве насосного устройства предусмотрен двигатель внутреннего сгорания с наддувом. Этот двигатель посредством трубопровода и обратного клапана присоединен к воздушному патрубку адсорбионного фильтра. На воздушном патрубке предусмотрен еще приводимый в действие электромагнитом отсекающих клапан, введенный в трубопровод параллельно двигателю с наддувом. При использовании двигателя с наддувом отсекающий клапан занимает запертое положение, благодаря чему посредством этого двигателя можно создать избыточное давление в топливном баке.

У всех этих насосных устройств, создающих вышеописанным способом избыточное давление для испытания на герметичность, общим является то, что соединение адсорбционного фильтра с окружающей средой остается запертым на период диагностики. Однако при этом возникает опасность того, что при неполадке в отсекающем клапане, который, например, вследствие заклинивания остается постоянно в запертом положении, при открывании регенерирующего клапана в топливном баке под действием вакуума во впускной трубе будет постоянно создаваться разрежение. При этом вакуум в баке может достигать значений, превосходящих максимально допустимую для топливного бака величину, в результате чего может произойти разрушение топливного бака. Во избежание этого обычно топливные баки оснащают предохранительными клапанами, состоящими из клапана для предохранения от чрезмерного вакуума и клапана для предохранения от чрезмерного избыточного давления, которые открываются при определенном избыточном давлении или определенном вакууме в системе поддержания испарения топлива, в результате чего происходит выравнивание давления с окружающей средой. Однако обычно такие предохранительные клапаны никогда не вступают в действие или вступают в действие только в случае неполадки, например, при заклиненном отсекающем клапане, вследствие чего имеется опасность того, что из-за длительного бездействия они вообще не выполнят своей функции, например, в результате загрязнения или залипания, что в худшем случае приведет к повреждению топливного бака и проникновению топлива в окружающую среду. Кроме того, такие дефектные предохранительные клапаны нельзя пометить перед использованием для защиты топливного бака. В связи с этим представляет интерес создание эффективной защиты топливного бака.

Преимущества изобретения
Насосное устройство или система поддержания испарения топлива согласно данному изобретению с отличительными признаками, указанными в п.1 и в п.5 формулы изобретения, имеет то преимущество, что без больших изменений в конструкции имеющихся насосных устройств можно простым образом обеспечить защиту баков от чрезмерных разрежений, способных привести к повреждению топливного бака. При этом преимуществом является то, что отпадает надобность в применяемых согласно известному уровню техники предохранительных клапанах с предусматриваемым, например, в топливных баках клапаном предохранения от чрезмерного разрежения, благодаря чему достигается экономия в затратах. Особенно ценно то, что путем испытания на герметичность системы поддержания испарения топлива при помощи данного насосного устройства можно также проверять выполнение функций предохранительными клапанами, благодаря чему дефектность предохранительных клапанов немедленно обнаруживается, что с большой степенью надежности исключает возможность повреждения топливного бака из-за дефектного предохранительного клапана.

При помощи мероприятий, указанных в дополнительных пунктах формулы изобретения, возможны целесообразные формы исполнения и усовершенствования насосного устройства, описанного в п.1 формулы, или системы поддержания испарения топлива, описанной в п.5.

Чертеж
Пример исполнения изобретения упрощенно изображен на прилагаемом чертеже и подробнее объяснен в нижеследующем описании.

Описание примера исполнения
На чертеже иллюстрируется обозначенная цифрой 1 система поддержания испарения топлива для не показанного более подробно двигателя внутреннего сгорания, оснащенная согласно изобретению насосным устройством 2, изображенным в схематически упрощенном виде и создающим для целей диагностики избыточное давление в системе 1 поддержания испарения топлива. В систему 1 входят также топливный бак 4 для питания топливом двигателя внутреннего сгорания и адсорбционный фильтр 6, соединенный с топливным баком 4 трубопроводом 5. Адсорбционный фильтр 6 заполнен адсорбционным средством, в частности активированным углем, и соединен трубопроводом 9 с регенерирующим клапаном 10, который клапанным трубопроводом 11 присоединен к впускной трубе 12 двигателя. Трубопровод 11 входит во впускную трубу, например, выше по течению относительно смонтированной в этой трубе с возможностью поворота дроссельной заслонки 14, по которой поступает в направлении стрелки 15 воздушная или топливно-воздушная смесь. Во время эксплуатации двигателя внутреннего сгорания выше дроссельной заслонки 14 во впускной трубе 12 имеет место разрежение, под действием которого при открытом регенерирующем клапане 10 из топливного бака 4 отсасываются пары топлива. Пары топлива попадают при этом из топливного бака 4 по трубопроводу 5 в адсорбционный фильтр 6, а из него - в трубопровод 9, причем окружающий воздух под действием разрежения во впускной трубе 12 подсасывается через предусмотренный в адсорбционным фильтре 6 воздушный патрубок 17, благодаря чему вместе с ним поступает топливо, накопившееся за прошедшее время в адсорбционном фильтре 6. Накопившиеся в адсорбционном фильтре 6 пары топлива смешиваются с окружающим воздухом, поступающим через воздушный патрубок 17. Через регенерирующий клапан 10, приводимый в действие, например, электромагнитом и управляемым в определенном цикле электронным аппаратом 21, пары топлива попадают по клапанному трубопроводу 11 во впускную трубу 12, чтобы затем сгореть в по меньшей мере одной камере сгорания двигателя.

Для испытания на герметичность системы поддержания испарения топлива регенерирующий клапан 10 запирают. Затем в топливный бак 4 при помощи насосного устройства через адсорбционный фильтр 6 подают определенный объем воздуха, чтобы вызвать повышение давления. По окончании роста давления ожидают в течение достаточно длительного времени до тех пор, пока давление, например, вследствие утечки в системе 1 поддержания испарения топлива снова не снизится, причем время, в течение которого произошло снижение давления, служит критерием размера отверстия, через которое в системе 1 имеет место утечки. Это испытание системы 1 поддержания испарения топлива, известное под названием метода избыточного давления, позволяет выявлять отверстия, через которые происходит утечка, диаметром менее 1 мм. Если избыточное давление в системе 1 вообще не достигается после определенного числа ходов диафрагмы 22 насосного устройства 2, то можно сделать вывод о большой утечке или об отсутствии крышки на топливном баке 4. В этом случае можно через соединенный с насосным устройством 2 электронный управляющий аппарат 21 выдать сигнал в индикаторное устройство, находящееся, например, внутри автомобиля, для того, чтобы соответствующим образом информировать водителя о неполадке в системе 1 поддержания испарения топлива.

Необходимое для проведения испытания избыточное давление создается согласно изобретению насосным устройством 2, которое всасывает в подводящий трубопровод 29 окружающий воздух, например, через фильтр 27 окружающего воздуха, расположенный в корпусе 18 насосного устройства 2, чтобы затем накачать его с избыточным давлением в напорный трубопровод 30. Напорный трубопровод 30 присоединен, например, через дополнительный трубопровод 31 к воздушному патрубку 17 адсорбционного фильтра 6. Насосное устройство 2 состоит из нескольких частей, размещенных в корпусе 18 и представляющих собой в основном отсекающий клапан 20 и рабочую камеру 23. Рабочая камера 23 служит для сжатия окружающего воздуха и состоит из диафрагмы 22, штока 40, устройства 60, регистрирующего положение штока 10, насосной пружины 39 и клапанного устройства, образованного посредством клапана 25 избыточного давления. Устройство 60 может быть выполнено, например, в виде известного специалистам герконового переключателя или в виде предусмотренного на штоке 40 электрического контакта и т.п. Диафрагма 22 разделяет рабочую камеру 23 на расположенную на чертеже под диафрагмой насосную полость 33 и находящуюся над диафрагмой напорную полость 34. При неработающем насосе напорная полость 34 герметически отключена от окружающего воздуха диафрагмой 22, клапаном разрежения 24 и клапаном избыточного давления 25. Клапан разрежения 24 и клапан избыточного давления 25 выполнены в виде единого одноходового клапана, благодаря чему клапан разрежения 24 открывается против воздействия восстанавливающей силы только в направлении напорной полости 24, а клапан избыточного давления 25 против воздействия восстанавливающей силы только в направлении к напорному трубопроводу 30. В состав рабочей камеры 23 входят, например, также электромагнитный привод, для чего с целью приведения диафрагмы 22 в действие, например, на штоке 40 установлен магнитный якорь 44, который может передвигаться в ту и другую сторону со сравнительно высокой частотой магнитными силами электромагнита, снабженного катушкой возбуждения. Отсекающий клапан 20 приводится в действие, например, электромагнитом и для этого имеет тоже магнитный якорь, который передвигается магнитными силами электромагнита, снабженного катушкой возбуждения 42. Управление катушками возбуждения 41, 42, устройством 60 для регистрации положения штока 40 и регенерирующим клапаном 10 осуществляется, например, по электропроводам посредством электронного аппарата 21.

Во время работы насосного устройства 2 отсекающий клапан 20, вмонтированный между подводящим трубопроводом 29 и напорным трубопроводом 30 параллельно клапанам 24, 25, находится в запертом положении, чтобы прервать соединение подводящего трубопровода 29 с напорным трубопроводом 30. В процессе сжатия воздуха изображенная на чертеже диафрагма 22 движется в направлении к напорной полости 34, сжимая находящийся в напорной полости окружающий воздух. При этом установленные между подводящим трубопроводом 29 и напорным трубопроводом 30 параллельно отсекающему клапану 20 клапаны 24, 25 занимают сначала запертое положение. По достижении определенного избыточного давления, зависящего от конструкции клапана 25 избыточного давления, в напорной полости 34 открывается клапан 25 в направлении напорного трубопровода 30, в результате чего сжатый воздух из напорной полости 34 напорному трубопроводу 30 и линии 31 может поступить в адсорбционный фильтр 6. При последующем движении диафрагмы 22 в обратную сторону в направлении к насосной полости 33 клапан 25 избыточного давления запирается, а клапан 24 разрежения открывается, причем из подводящего трубопровода 29 в напорную полость 34 засасывается окружающий воздух. Если насосное устройство не работает или не требуется испытание системы 1 поддержание испарения топлива на герметичность, отсекающий клапан 20 остается в изображенном на чертеже открытом положении. В открытом положении отсекающего клапана 10 при открытом регенерирующем клапане 10 окружающий воздух для регенерации адсорбционного фильтра 6 проходит через предусмотренный на подводящем трубопроводе 29 фильтр 27 окружающего воздуха и через байпасный канал 45 в напорный трубопровод 30, а оттуда через линию 31 и воздушный патрубок 17 в адсорбционный фильтр 6.

Согласно изобретению оба клапана 24, 25 открываются только в одном направлении, в котором поток воздуха происходит от подводящего трубопровода 29 через напорную полость 34 в напорный трубопровод 30, выполнены таким образом, что при запирании отсекающего канала 20 вследствие неполадки не может произойти рост давления, способный привести к повреждению топливного бака 4. Следовательно, при неполадке в отсекающем клапане 20, который, например, вследствие заклинивания постоянно остается в запертом положении, нужно обеспечить, чтобы имеющееся в топливном баке разрежение было по сравнению с атмосферным давлением всегда меньше максимально допустимого разряжения P_тм по отношению к атмосферному давлению. Максимально допустимое разряжение P_тм в топливном баке соответствует тому вакууму, при котором надежно исключена возможность повреждения топливного бака 4. Для обычно применяемых топливных баков 4 разрежение P_тм в топливном баке составляет примерно 10 - 30 гПа (гектопаскалей). Для того, чтобы обеспечить в топливном баке разрежение, не превышающее максимально допустимое значение P_тм, т.е. чтобы в баке имела место небольшая разница по отношению к атмосферному давлению, два клапана 24, 25 имеют поперечное сечение A_schutz (A_{предохр}) такого размера, чтобы при запертом отсекающем клапане 20 и открытом регенерирующем клапане 10 сумма потерь давления в клапанах 24, 25 и в адсорбционном фильтре 6 была всегда меньше максимально допустимого в напорном баке 4 разрежения P_тм, благодаря чему надежно исключается повреждение напорного бака.

Необходимое для этого поперечное сечение A_schutz клапанов 24, 25 можно определить путем идеализированного рассмотрения клапанов 24, 25 как дроссельных аппаратов, выполненных в виде заслонки. Такие заслонки вводятся в трубопровод, создавая определенное сопротивление потоку, приводящее к разности давлений на заслонке или к потере давления в потоке. Способ расчета подобной потери давления, которую вызвала заслонка, специалисту известен. Далее, при выборе поперечного сечения A_schutz клапанов 24, 25 принимается наименее благоприятный случай, когда регенерирующий клапан 10 в открытом положении вводит во впускную трубу 12 максимально возможной входной поток m_TEV. По условию непрерывности массовый поток m_TEV в регенерирующем клапане 10 соответствует массовому потоку m_schutz, проходящему через клапаны 24, 25. Отсюда получается уравнение непрерывности в виде:
m_TEV = m_schutz (1)
Далее можно, исходя из представления об идеальном газе и используя уравнение Бернулли и уравнение непрерывности (1), а также из идеализированного рассмотрения клапанов 24, 25 и регенерирующего клапана 10 в качестве заслонки, получить зависимость поперечного сечения A_schutz клапанов 24 или 25 от поперечного сечения A_TEV регенерирующего клапана 10 в следующем виде:

где P_тм - максимально допустимое разрежение в топливном баке, P_a - давление окружающей среды, P_SF - вакуум во впускной трубе 12, n - число подключенных последовательно клапанов (в примере исполнения n = 2), k - показатель политропы воздуха (k = 1,4), α_TEV - коэффициент расхода регенерирующего клапана 10, α_schutz - коэффициент расхода клапанов 24, 25. Коэффициенты расхода α_TEV и α_schuts представляют собой коррекционные факторы, которые описывают зависимость открытия заслонки от числа Рейнольдса R_e и известны специалисту, например, из таблиц, приводимых в литературе.

Отдельные поперечные сечения потока A_TEV клапанов 24, 25, рассчитанные по формуле (2) в зависимости от известных поперечных сечений потока A_schutz регенерирующего клапана 10, приводят к столь малым потерям потока между подводящим трубопроводом 29 и напорным трубопроводом 30, что потеря давления на клапанах 24, 25 и в адсорбционном фильтре 6, которая определяет собой разрежение в топливном баке 4, остается всегда ниже максимально допустимого разрежения P_тм в топливном баке. Поэтому можно обойтись без клапана разрежения в топливном баке, который в противном случае обязательно необходим из соображений безопасности.

Для того, чтобы кроме того обеспечить, что топливный бак 4 не разорвется и при возникшем почему-то избыточном давлении, можно, например, сохранить в крыше предусматриваемый обычно клапан избыточного давления. Изобретение не ограничивается описанным в примере исполнения насосным устройством, приводимым в действие, например, электромагнитным аппаратом и снабженным отсекающим клапаном 20 с электромагнитным приводом. Разумеется также, что можно применять соответствующие известному уровню техники насосные устройства, приводимые в действие разрежением во впускной трубе, или насосное устройство в виде двигателя внутреннего сгорания с наддувом и т.п., и изменяя их предохранительные клапаны согласно изобретению.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в насосных устройствах систем поддержания испарения топлива для двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить надежность систем поддержания испарения топлива путем исключения повреждения топливного бака. В насосном устройстве необходимые для создания разрежения клапаны выполнены таким образом, что в открытом положении регенерирующего клапана и в запертом положении отсекающего клапана благодаря достаточно большому поперечному сечению потока A_schutz клапанов создается небольшое сопротивление потоку, в результате чего исключается возможность того, что разрежение достигнет значения, приводящего к повреждению топливного бака. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Насосное устройство для системы поддержания испарения топлива в двигателе внутреннего сгорания, в которой предусмотрен соединяемый с топливным баком и регенерирующим клапаном адсорбционный фильтр, воздушный патрубок которого соединен с насосным устройством и может быть заперт отсекающим клапаном, отличающееся тем, что насосное устройство (2) имеет по меньшей мере один клапан (24, 25), который в открытом положении регенерирующего клапана (10) и в запертом положении отсекающего клапана (20) имеет поперечное сечение потока A_schutz такой площади, что в открытом положении по меньшей мере одного из клапанов (24, 25) при прохождении воздуха в систему (1) поддержания испарения топлива исключается возможность того, что разрежение Р_ТМ достигнет значения, приводящего к повреждению топливного бака (4). 2. Насосное устройство по п.1, отличающееся тем, что в насосном устройстве (2) предусмотрена диафрагма (22), которая ограничивает напорную полость (34) с двумя клапанами (24, 25), имеющими поперечное сечение потока A_schutz такой площади, что в открытом положении клапанов (24, 25) при прохождении воздуха через соединенный с первым клапаном (24) подводящий трубопровод (29) в напорную полость (39), а оттуда через соединенный со вторым клапаном (25) напорный трубопровод (30) в адсорбционный фильтр (6) исключается возможность того, что разрежение Р_ТМ достигнет значения, приводящего к повреждению топливного бака (4). 3. Насосное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что поперечное сечение потока A_schutz по меньшей мере одного из клапанов (24, 25) рассчитывается таким образом, что сумма отдельных значений потерь давления по меньшей мере в одном из клапанов (24, 25) и в адсорбционном фильтре (6) оказывается меньше максимально допустимого разрежения Р_ТМ в топливном баке. 4. Насосное устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечное сечение потока A_schutz по меньшей мере одного из клапанов (24, 25) определяется в зависимости от поперечного сечения потока A_TEV регенерирующего клапана (10) по формуле

где Р_ТМ - максимально допустимое разрежение в топливном баке;
P_a - давление окружающей среды;
P_SF - разрежение во впускной трубе (12);
n - число последовательно подключенных клапанов;
k - показатель политропы воздуха (k = 1,4);
α_TEV - коэффициент расхода регенерирующего клапана;
α_schutz - коэффициент расхода клапанов. 5. Система поддержания испарения топлива в двигателе внутреннего сгорания, содержащая соединяемый с топливным баком и с регенерирующим клапаном адсорбционный фильтр, воздушный патрубок которого соединен с насосным устройством и может быть заперт отсекающим клапаном, отличающаяся тем, что насосное устройство (2) имеет по меньшей мере один клапан (24, 25), который в открытом положении регенерирующего клапана (20) имеет поперечное сечение потока A_schutz такой площади, что в открытом положении по меньшей мере одного из клапанов (24, 25) при прохождении воздуха в систему (1) поддержания испарения топлива исключается возможность того, что разрежение Р_ТМ достигнет значения, приводящего к повреждению топливного бака (4). 6. Система поддержания испарения топлива по п.5, отличающаяся тем, что в насосном устройстве (2) предусмотрена диафрагма (22), которая ограничивает напорную полость (34) с двумя клапанами (24, 25), имеющими поперечное сечение потока A_schutz такой площади, что в открытом положении клапанов (24, 25) при прохождении воздуха через соединенный с первым клапаном (24) подводящий трубопровод (29) в напорную полость (34), а оттуда через соединенный со вторым клапаном (25) напорный трубопровод (30) в адсорбционный фильтр (6) исключается возможность того, что разрежение Р_ТМ достигнет значения, приводящего к повреждению топливного бака (4). 7. Система поддержания испарения топлива по п.5 или 6, отличающаяся тем, что поперечное сечение потока A_schutz по меньшей мере одного из клапанов (24, 25) рассчитывается таким образом, что сумма отдельных значений потери давления по меньшей мере в одном из клапанов (24, 25) и в адсорбционном фильтре (6) всегда оказывается меньше максимально допустимого разрежения Р_ТМ в топливном баке. 8. Система поддержания испарения топлива по п.5, отличающаяся тем, что поперечное сечение потока A_schutz по меньшей мере одного из клапанов (24, 25) определяется в зависимости от поперечного сечения потока A_TEV регенерирующего клапана (10) по формуле

где Р_ТМ - максимально допустимое разрежение в топливном баке;
P_a - давление окружающей среды;
P_SF - разрежение во впускной трубе (12);
n - число последовательно подключенных клапанов;
k - показатель политропы воздуха (k - 1,4);
α_TEV - коэффициент расхода регенерирующего клапана;
α_schutz - коэффициент расхода клапанов.