ТОПЛИВОРАЗДАТОЧНЫЙ КРАН Российский патент 2006 года по МПК B67D5/00 B67D5/37 

Изобретение относится к автозаправочной технике и может быть использовано на топливозаправочных колонках, агрегатах и в других средствах заправки автомобильной и другой техники жидким топливом.

Известен топливораздаточный кран (патент РФ №2163881, 05.09.2000, МПК В 67 D 5/00), содержащий корпус, подпружиненный подвижный сливной патрубок со штоком, с калиброванным дозирующим и сливным отверстиями и рукоятку управления, соединенную со штоком, причем кран снабжен охлаждающим элементом, размещенным внутри сливного патрубка, гибким трубопроводом подачи хладагента к охлаждающему элементу, переходным штуцером, клапаном отсечки подачи хладагента и контактным датчиком управления отсечкой с подвижным контактным элементом, причем охлаждающий элемент выполнен в виде полой щелевой трубки, расположенной вдоль оси симметрии сливного патрубка, на боковой поверхности сливного патрубка выполнено монтажное гнездо под штуцер со сквозным отверстием, посредством которого соединены внутренние полости подачи хладагента и охлаждающего элемента, клапан отсечки подачи хладагента установлен на гибком трубопроводе, контактный датчик управления отсечкой размещен на корпусе крана и подвижным контактным элементом подсоединен к рукоятке управления.

Однако известная конструкция топливораздаточного крана не исключает значительных потерь топлива и его паров из топливного бака при заправке последнего, так как по зазору между наружной поверхностью подвижного сливного патрубка и заливной горловины могут вытекать и топливо, и его пары. В конструкции топливораздаточного крана прототипа предложена установка дефлектора, позволяющего обеспечить вихревое движение струй топлива и лучшее перемешивание слоев. Тем не менее, установка дефлектора приведет к увеличению потерь напора топлива при движении через него топлива и увеличению времени заправки топливом топливного бака.

Что же касается режима движения топлива при установке дефлектора в подвижном сливном патрубке, то режим движения жидкости определяется по критерию Рейнольдса Re по формуле 1 [1]:

где Re - критерий Рейнольдса;

w - скорость движения топлива через подвижный сливной патрубок, м/с;

d - внутренний диаметр подвижного сливного патрубка, м, d=0,02 м;

ν - коэффициент кинематической вязкости, м²/с,

для бензина ν=0,6·10^-6 м²/с,

для дизельного топлива ν=4·10^-6 м²/с [1, с.14, табл.2].

При скорости движения бензина через подвижный сливной патрубок, равной 4 м/с, критерий Рейнольдса для бензина будет равен

Для дизельного топлива критерий Рейнольдса составит

Если число Re>2300, то движение топлива будет турбулентным [1].

При заправке топливного бака, как бензином, так и дизельным топливом движение указанных жидкостей в подвижном сливном патрубке топливораздаточного крана будет турбулентным, так как Re_бенз=133333, Re_диз=20000. Следовательно, в установке дефлектора в подвижном сливном патрубке нет необходимости.

Кроме того, при движении топлива, в особенности бензина, через дефлектор может возникнуть явление кавитации из-за понижения давления бензина в дефлекторе в связи с уменьшением сечения и с движением в нем топлива с увеличенной скоростью. В этом случае возможно выделение паров бензина или растворенных в нем газов, что приведет к нарушению неразрывности потока в подвижном сливном патрубке и, как следствие, к увеличению времени заправки, к гидравлическим ударам в подвижном сливном патрубке и к его разрушению. Все вышесказанное снижает надежность работы топливораздаточного крана.

В конструкции прототипа не предусмотрена раздельная подача хладагента и топлива. Такое конструктивное решение не обеспечивает предварительную подачу хладагента в топливный бак с целью охлаждения топлива и конденсации его паров.

Технический результат направлен на повышение надежности работы топливораздаточного крана, на уменьшение потерь топлива и его паров при заправке топливного бака, улучшение условий противопожарной безопасности, снижение загрязнения окружающей среды парами топлива, сокращение времени, отводимого на заправку.

Технический результат достигается тем, что топливораздаточный кран, содержащий корпус, подпружиненный подвижный сливной патрубок со штоком, с калиброванным дозирующим и сливным отверстиями, рукоятку управления, соединенную со штоком, причем кран снабжен охлаждающим элементом, размещенным внутри сливного патрубка, гибким трубопроводом подачи хладагента к охлаждающему элементу, переходным штуцером, при этом охлаждающий элемент выполнен в виде полой щелевой трубки, расположенной вдоль оси симметрии сливного патрубка, на боковой поверхности сливного патрубка выполнено монтажное гнездо под штуцер со сквозным отверстием, посредством которого соединены внутренние полости трубопровода подачи хладагента и охлаждающего элемента, при этом на подвижном сливном патрубке установлена резиновая пневматическая камера, сообщающаяся через отверстие в подвижном сливном патрубке с полостью охлаждающего элемента, а через предохранительный клапан с внутренней полостью топливного бака, внутри пневматической камеры выполнен канал, соединяющий внутреннюю полость топливного бака через редукционный клапан с атмосферой; в конструкцию крана дополнительно введена электрическая схема управления окончанием подачи топлива и хладагента, содержащая источник постоянного тока, электрические включатели подачи топлива и хладагента, электромагнитные клапаны подачи топлива и хладагента, электрические линии, соединяющие соленоиды электромагнитных клапанов с датчиком управления окончанием подачи топлива и хладагента, состоящим из неподвижно закрепленного на переднем конце подвижного сливного патрубка геркона и поплавка с постоянным магнитом, перемещающихся по направляющей, закрепленной на подвижном сливном патрубке, при этом электрические включатели подачи топлива и хладагента размещены на корпусе крана и включаются с помощью рукоятки управления.

Отличительным признаком от прототипа является то, что на подвижном сливном патрубке установлена резиновая пневматическая камера, сообщающаяся через отверстие в подвижном сливном патрубке с полостью охлаждающего элемента, а через предохранительный клапан с внутренней полостью топливного бака, внутри пневматической камеры выполнен канал, соединяющий внутреннюю полость топливного бака через редукционный клапан с атмосферой; в конструкцию крана дополнительно введена электрическая схема управления окончанием подачи топлива и хладагента, содержащая источник постоянного тока, электрические включатели подачи топлива и хладагента, электромагнитные клапаны подачи топлива и хладагента, электрические линии, соединяющие соленоиды электромагнитных клапанов с датчиком управления окончанием подачи топлива и хладагента, состоящим из неподвижно закрепленного на переднем конце подвижного сливного патрубка геркона и поплавка с постоянным магнитом, перемещающихся по направляющей, закрепленной на подвижном сливном патрубке, при этом электрические включатели подачи топлива и хладагента размещены на корпусе крана и включаются с помощью рукоятки управления.

На фиг.1 представлена конструкция топливораздаточного крана, на фиг.2 - резиновая пневматическая камера и датчик управления окончанием подачи топлива и хладагента в топливный бак, на фиг.3 - электрическая схема управления подачей топлива и хладагента в топливный бак.

Топливораздаточный кран содержит корпус 1 (фиг.1), подвижный сливной патрубок 2 со штоком 3, калиброванным дозирующим отверстием 4, пружину 5, рукоятку управления 6, охлаждающий элемент 7, гибкий трубопровод 8 подачи хладагента к охлаждающему элементу, переходной штуцер 9. Шток 3 одним концом жестко крепится к патрубку 2, другим - к рукоятке управления 6. Пружина 5, установленная на штоке 3, служит для возврата патрубка 2 в исходное положение. Калиброванное дозирующее отверстие 4 служит для регулирования подачи топлива через кран. Охлаждающий элемент 7 размещается внутри патрубка 2 и выполнен в виде щелевой трубки, ориентированной вдоль оси симметрии сливного патрубка. Охлаждающий элемент 7 служит для снижения температуры струи подаваемого через кран топлива и тем самым способствует уменьшению испарения легких фракций углеводородов при заправке бака топливом. К охлаждающему элементу 7 подается хладагент через трубопровод 8, переходной штуцер 9 и отверстие 10, выполненное в сливном патрубке 2. Переходной штуцер 9 крепится в монтажном гнезде 11. Для уменьшения теплопередачи со стороны окружающей среды к хладагенту и тем самым для повышения эффективности охлаждения струи подаваемого топлива между внутренней поверхностью сливного патрубка 2 и внешней поверхностью охлаждающего элемента 7 размещена теплоизолирующая прокладка 12, выполненная из теплоизоляционного материала с низкой удельной теплопроводностью. Для обеспечения большей площади контакта с внутренней поверхностью охлаждающего элемента 7 с потоком топлива, движущегося в сливном патрубке 2, охлаждающий элемент снабжен дополнительными полыми ребрами охлаждения 13. Ребра охлаждения 13 выполнены в виде лучей и размещены симметрично под углом 120° в полости сливного патрубка 2.

На переднем конце подвижного сливного патрубка 2 топливораздаточного крана (фиг.2) установлены пневматическая камера 14 и датчик управления окончанием подачи топлива и хладагента в топливный бак. Пневматическая камера 14 предназначена для уплотнения зазора между подвижным сливным патрубком 2 и заправочной горловиной 15 топливного бака для уменьшения потерь паров топлива при заправке бака топливом. Пневматическая камера 14 изготовлена из термобензостойкой резины для исключения ее повреждения при резких перепадах температур при подаче хладагента в топливный бак. Пневматическая камера 14 имеет отверстие 16, совпадающее с отверстием 17 патрубка 2. Через отверстия 16 и 17 внутренняя полость камеры 14 сообщается с внутренней полостью охлаждающего элемента 7.

В камере 14 установлены предохранительный 18 и редукционный 19 клапаны, изготовленные из термобензостойкой резины. Предохранительный клапан 18 предназначен для исключения повреждения пневматической камеры 14 силами давления хладагента. Редукционный клапан 19 служит для исключения повреждения топливного бака силами давления паров топлива и хладагента при подаче в бак хладагента и топлива. Внутри камеры 14 выполнен канал 20, по которому пары хладагента удаляются из бака в атмосферу через открытый редукционный клапан 19.

В исходном положении объем пневматической камеры 14 незначителен (фиг.1), так как за счет сил упругости резины она сжата.

Датчик электрической схемы управления окончанием подачи топлива и хладагента содержит геркон 21 и поплавок 22 с закрепленным на нем постоянным магнитом 23 (фиг.1, 2, 3). Контакты геркона 21 в исходном положении замкнуты. Геркон 21 неподвижно закреплен на конце подвижного сливного патрубка 2, а поплавок 22 свободно перемещается по направляющей 24, имеющей упоры 25 и 26, которые исключают самопроизвольное смещение поплавка 22 с направляющей 24 при заправке бака топливом.

Электрическая схема управления окончанием подачи топлива и хладагента топливораздаточного крана (фиг.3) содержит источник постоянного тока, геркон 21, электрические линии 27, 28, электрические включатели подачи хладагента 29 и топлива 30, электромагнитные клапаны подачи хладагента и топлива и контрольную электрическую лампу 31.

Электромагнитный клапан подачи топлива в топливный бак состоит из корпуса 32, в котором размещены тарельчатый клапан 33, электрическая обмотка 34 и возвратная пружина 35.

Электромагнитный клапан подачи хладагента в топливный бак содержит корпус 36, тарельчатый клапан 37, электрическую обмотку 38 и возвратную пружину 39. Электрические обмотки 34, 38 и стержни тарельчатых клапанов 33 и 37 образуют соленоиды.

Корпуса электромагнитных клапанов подачи топлива 32, хладагента 36 и контрольная электрическая лампа 31 размещены на корпусе 1 топливораздаточного крана (фиг.1).

Топливораздаточный кран работает следующим образом.

При нажатии на рукоятку 6 управления (фиг.1, 2, 3) подвижный сливной патрубок 2 перемещается в продольном направлении и открывает калиброванное отверстие 4, соединяя полости камеры с топливом и сливного патрубка 2. При этом вначале замыкаются контакты электрического включателя 29 подачи хладагента в топливный бак и электрический ток от положительного полюса источника постоянного тока протекает через электрическую обмотку 38 электромагнитного клапана подачи хладагента в топливный бак, замкнутые контакты электрического включателя 29, электрическую линию 27, замкнутые контакты геркона 21 к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Вокруг электрической обмотки 38 возникает электромагнитное поле, под действием которого стержень тарельчатого клапана 37 электромагнитного клапана подачи хладагента поднимается вверх, сжимая при этом пружину 39, тарельчатый клапан 37 открывается и хладагент поступает по трубопроводу 8 через штуцер 9 и отверстие 10 во внутреннюю полость охлаждающего элемента 7.

В качестве хладагента используется сжатый воздух, подаваемый по трубопроводу 8 через открытый тарельчатый клапан 37 электромагнитного клапана подачи хладагента в топливный бак.

Применение сжатого воздуха по сравнению с жидким охлажденным до температуры минус 195°С азотом позволяет получить значительную экономию средств и материалов в связи с тем, что для получения и хранения жидкого охлажденным до температуры минус 195°С азота необходимы более дорогостоящие устройства.

Температура воздуха Т₂, К, вытекающего из отверстия 10 в охлаждаемый элемент 7, определяется по формуле 2 адиабатного истечения [2]:

где Т₂ - абсолютная температура воздуха, адиабатно выходящего из отверстия 10, К;

T₁ - абсолютная температура воздуха в гибком трубопроводе подачи хладагента, К. При температуре окружающего воздуха равной t₀=+5°С абсолютная температура воздуха в трубопроводе 8 составит T₁=t₀+273=50+273=323 К;

P₂ - абсолютное давление воздуха на выходе из отверстия 10, Па.

Принимаем Р₂=1,1·10⁵ Па, т.к. на автомобильной технике избыточное давление паров топлива в баках составляет 1,1·10⁵ Па;

P₁ - давление воздуха в ресивере и в трубопроводе 8, принимаем равным 110·10⁵ Па;

k - показатель адиабаты расширения, для воздуха k=1,4.

Подставив принимаемые значения величин в формулу 2, получим:

или t₂=-195,8°C.

Известно, что при температуре ниже минус 190°С воздух превращается в жидкость [3].

При адиабатном истечении хладагента из отверстия 10 происходит быстрое снижение температуры хладагента и воздух превращается в жидкость. При течении жидкого воздуха через внутреннюю полость охлаждающего элемента 7 происходит усиленная передача теплоты от более нагретого тела к менее нагретому телу, т.е. от топлива к хладагенту посредством конвективного теплообмена, при этом топливо, вытекающее из топливораздаточного крана в бак, будет охлаждаться. Если бы по зазору между подвижным сливным патрубком 2 и охлаждающим элементом 7 происходило истечение охлажденного азота, находящегося в газообразном состоянии как у прототипа, то количество теплоты, отданное топливом охлажденному азоту, было бы меньшим, так как коэффициент теплоотдачи жидкого воздуха больше коэффициента теплоотдачи азота, находящегося в газообразном состоянии.

При истечении из топливораздаточного крана в бак жидкий воздух нагревается от паров топлива, находящегося в баке, испаряется и превращается в газообразное состояние. При контакте паров топлива с холодным воздухом происходит конденсация паров топлива, и капли топлива под действием силы тяжести падают в топливо, находящееся в баке. При контакте струи холодного воздуха с топливом последнее также охлаждается и в нем существенно замедляется процесс испарения легких фракций углеводородов.

Часть хладагента из внутренней полости охлаждающего элемента 7 через отверстие 17 подвижного сливного патрубка 2 и через отверстие 16 камеры 17 поступает во внутреннюю полость пневматической камеры 14. Во внутренней полости пневматической камеры 14 происходит адиабатное расширение воздуха, при этом воздух превращается в жидкое состояние и под действием сил давления хладагента на внутренние стенки камеры 14 происходит быстрое увеличение ее в объеме, и камера 14 прижимается своими стенками к заливной горловине 15 топливного бака. В этом случае внутренняя полость бака разобщается от атмосферы, что исключает утечки паров топлива из бака. При дальнейшем поступлении хладагента в камеру 14 давление в ней возрастает, и происходит открытие предохранительного клапана 18, и хладагент вытекает в топливный бак.

При дальнейшем нажатии на рукоятку управления 6 происходит замыкание контактов электрического включателя 30 подачи топлива в топливный бак и электрический ток от положительного полюса источника постоянного тока протекает через электрическую обмотку 34 электромагнитного клапана подачи топлива в бак, замкнутые контакты электрического включателя 30, электрическую линию 28, замкнутые контакты геркона 21 к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Вокруг электрической обмотки 34 возникает электромагнитное поле и под действием магнитной силы стержень тарельчатого клапана 33 электромагнитного клапана подачи топлива поднимается вверх, пружина 35 сжимается, тарельчатый клапан 33 открывается и топливо поступает через подвижный сливной патрубок 2 в топливный бак. В подвижном сливном патрубке 2 происходит охлаждение топлива за счет передачи тепла от топлива хладагенту через стенки охлаждающего элемента 7. Одновременно электрический ток протекает через контрольную электрическую лампу 31, которая загорается и сигнализирует водителю о том, что в топливный бак поступают хладагент и топливо.

В случае если происходит полная заправка топливного бака, то его уровень в баке повышается до заправочной горловины 15 бака. В этом случае поплавок 22, скользя по направляющей 24, поднимается вверх, и постоянный магнит 23 размещается напротив замкнутых контактов геркона 21, которые под действием магнитной силы размыкаются. Электрический ток в электрической обмотке 34 электромагнитного клапана подачи топлива исчезает, под действием силы упругости пружины 35 тарельчатый клапан 33 закрывается и подача топлива в топливный бак прекращается. Электрический ток исчезает и в электрической обмотке 38 электромагнитного клапана подачи хладагента. Поэтому тарельчатый клапан 37 под действием силы упругости пружины 39 также закрывается и подача хладагента в топливный бак прекращается, при этом электрическая лампа 31 гаснет, что свидетельствует о полной заправке топливного бака и о прекращении подачи в него топлива и хладагента.

Хладагент из пневматической камеры 14 вытекает через открытый предохранительный клапан 18 в горловину топливного бака и далее через открытый редукционный клапан 19 в атмосферу. Редукционный клапан 19 отрегулирован на давление Р=1,1 кгс/см² (0,11 МПа), которое соответствует давлению открытия паровых клапанов пробок заливных горловин штатных топливных баков.

Под действием силы упругости резины пневматическая камера 14 уменьшается в объеме и принимает исходное положение (фиг.1).

В случае заправки незначительного количества топлива в топливный бак оператор определяет необходимое количество заправляемого топлива по счетчику и отпускает рукоятку 6. При этом происходит размыкание электрических контактов 29 и 30, клапаны 33 и 37 закрываются и подача топлива и хладагента в топливный бак прекращается.

После окончания заправки топливного бака водитель освобождает рукоятку управления 6. При этом размыкаются контакты электрического включателя 30 подачи топлива в топливный бак, а затем - контакты электрического включателя 29 подачи хладагента в топливный бак. Тарельчатые клапаны подачи топлива 33 и подачи хладагента 37 закрываются под действием возвратных пружин 35 и 39. Контрольная электрическая лампа 31 гаснет, что свидетельствует о прекращении подачи в топливный бак топлива и хладагента.

В тот момент, когда водитель вынимает подвижный сливной патрубок 2 из заливной горловины топливного бака 15, поплавок 22, скользя по направляющим 24, опускается вниз до соприкосновения с упором 26, при этом контакты геркона 21 замыкаются. Но так как электрические линии 27 и 28 разорваны, то открытие электромагнитных клапанов подачи хладагента и топлива не произойдет.

Таким образом, заявляемая конструкция топливораздаточного крана обладает большей надежностью в работе в сравнении с прототипом, обеспечивает уменьшение потерь топлива и его паров при заправке, особенно уменьшение загрязнения окружающей среды парами топлива, сокращение времени, отведенного на заправку.

Источники информации

1. B.C.Вознюк. Гидравлика и гидравлические машины. - М.: Воениздат, 1979, - 168 с.

2. Д.Саттон. Ракетные двигатели. - М.: Издательство иностранной литературы, 1952, - 327 с.

3. Г.С.Лансберг. Элементарный учебник физики. - М.: Наука, 1985, - 606 с.

Кран содержит корпус, подпружиненный подвижный сливной патрубок со штоком, с калиброванным дозирующим и сливным отверстиями, рукоятку управления, соединенную со штоком. Кран снабжен охлаждающим элементом, размещенным внутри сливного патрубка, гибким трубопроводом подачи хладагента к охлаждающему элементу, переходным штуцером. Охлаждающий элемент выполнен в виде полой щелевой трубки, расположенной вдоль оси симметрии сливного патрубка, на боковой поверхности сливного патрубка выполнено монтажное гнездо под штуцер со сквозным отверстием, посредством которого соединены внутренние полости трубопровода подачи хладагента и охлаждающего элемента. На подвижном сливном патрубке установлена резиновая пневматическая камера, сообщающаяся через отверстие в подвижном сливном патрубке с полостью охлаждающего элемента, а через предохранительный клапан с внутренней полостью топливного бака. Внутри пневматической камеры выполнен канал, соединяющий внутреннюю полость топливного бака через редукционный клапан с атмосферой. В конструкцию крана дополнительно введена электрическая схема управления окончанием подачи топлива и хладагента, содержащая источник постоянного тока, электрические включатели подачи топлива и хладагента, электромагнитные клапаны подачи топлива и хладагента, электрические линии, соединяющие соленоиды электромагнитных клапанов с датчиком управления окончанием подачи топлива и хладагента, состоящим из неподвижно закрепленного на переднем конце подвижного сливного патрубка геркона и поплавка с постоянным магнитом, перемещающихся по направляющей, закрепленной на подвижном сливном патрубке. Электрические включатели подачи топлива и хладагента размещены на корпусе крана и включаются с помощью рукоятки управления. Повышается надежность работы, уменьшаются потери топлива, улучшаются условия противопожарной безопасности, снижается загрязнение окружающей среды. 3 ил.

Топливораздаточный кран, содержащий корпус, подпружиненный подвижный сливной патрубок со штоком, с калиброванным дозирующим и сливным отверстиями, рукоятку управления, соединенную со штоком, причем кран снабжен охлаждающим элементом, размещенным внутри сливного патрубка, гибким трубопроводом подачи хладагента к охлаждающему элементу, переходным штуцером, при этом охлаждающий элемент выполнен в виде полой щелевой трубки, расположенной вдоль оси симметрии сливного патрубка, на боковой поверхности сливного патрубка выполнено монтажное гнездо под штуцер со сквозным отверстием, посредством которого соединены внутренние полости трубопровода подачи хладагента и охлаждающего элемента, отличающийся тем, что на подвижном сливном патрубке установлена резиновая пневматическая камера, сообщающаяся через отверстие в подвижном сливном патрубке с полостью охлаждающего элемента, а через предохранительный клапан с внутренней полостью топливного бака, внутри пневматической камеры выполнен канал, соединяющий внутреннюю полость топливного бака через редукционный клапан с атмосферой, в конструкцию крана дополнительно введена электрическая схема управления окончанием подачи топлива и хладагента, содержащая источник постоянного тока, электрические включатели подачи топлива и хладагента, электромагнитные клапаны подачи топлива и хладагента, электрические линии, соединяющие соленоиды электромагнитных клапанов с датчиком управления окончанием подачи топлива и хладагента, состоящим из неподвижно закрепленного на переднем конце подвижного сливного патрубка геркона и поплавка с постоянным магнитом, перемещающихся по направляющей, закрепленной на подвижном сливном патрубке, при этом электрические включатели подачи топлива и хладагента размещены на корпусе крана и включаются с помощью рукоятки управления.