РЕДУКТОР-ИСПАРИТЕЛЬ ДЛЯ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА Российский патент 2014 года по МПК F02M21/06 F02M31/16 

Изобретение относится к области промышленной электроники, в частности, к системам питания ДВС, а также к электрогенераторным установкам с газовыми ДВС, имеющим воздушное охлаждение, и может быть использовано для редуцирования сжиженного углеводородного газа (СУГ) с быстрым его нагревом, испарением и поддержанием стабильной температуры.

Известен редуктор-испаритель для СУГ, описанный в статье В. Лукшо «ДЛЯ ПИТАНИЯ ГАЗОМ» (журнал «ЗА РУЛЕМ» №9, 1989 г., стр.10), который выбран в качестве прототипа настоящего изобретения, как наиболее близкий по технической сущности. В статье приведено подробное описание классического газового редуктора с жидкостным нагревателем корпуса полости испарителя СУГ (сжиженного углеводородного газа) разработки НАМИ, принципиальная схема которого до сих пор применяется всеми известными производителями без существенных изменений. Этот редуктор-испаритель представляет собой двухступенчатый автоматический регулятор давления газа диафрагменного типа с рычажной передачей от диафрагмы к регулирующим клапанам. В корпус редуктора встроена полость испарителя, стенки которой омываются разогретой жидкостью из системы охлаждения ДВС, и за счет тепла которой испаряется сжиженный газ.

Недостатками устройства-прототипа являются:

сложность конструкции редуктора-испарителя с жидкостным нагревателем СУГ, полость которого должна быть окружена специальными каналами для циркуляции разогретой охлаждающей жидкости, подводимой и отводимой с помощью специальных входного и выходного штуцеров;

сложность монтажа редуктора-испарителя, связанная с необходимостью подключения к штатной системе охлаждения ДВС с помощью дополнительных трубок и штуцеров;

- нагреватель редуктора-испарителя остановленного и охлажденного ДВС не выполняет свою функцию, т.к. охлаждающая жидкость тоже холодная, поэтому запуск ДВС на СУГ при отрицательных температурах затруднителен;

- неточное поддержание редуктором-испарителем температуры СУГ, т.к. температура корпуса испарителя зависит от степени прогрева ДВС и температуры окружающей среды, в связи с чем в инжекторных системах необходимо осуществлять температурную коррекцию расхода СУГ, что существенно усложняет алгоритм работы системы питания и требует установки дополнительного датчика температуры СУГ на входе в ДВС;

- низкая скорость коррекции редуктором-испарителем температуры СУГ при резкой смене режимов работы ДВС, т.к. в процессе теплообмена участвуют достаточно большая масса охлаждающей жидкости, стенки корпуса редуктора для направления ее потока, трубки и штуцера.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования известного редуктора-испарителя за счет обеспечения высокоэффективного исключительно электронного нагрева СУГ.

Указанная задача решается за счет того, что в известном редукторе-испарителе, выполненном в металлическом корпусе со сформированной в нем полостью испарителя СУГ, выполненной с возможностью подогрева внешним источником тепла, согласно изобретению, внешний источник тепла выполнен в виде прикрепленного к наружной поверхности полости испарителя первого MOSFET-транзистора p-канала, а полная схема нагревателя также содержит второй транзистор типа n-p-n, третий MOSFET-транзистор p-канала, два операционных усилителя, девять резисторов и предохранитель, причем, первый вывод предохранителя подключен к положительному выводу источника питания, его второй вывод соединен с первыми выводами первого, второго, третьего, четвертого резисторов и стоком третьего транзистора, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен со вторым выводом первого резистора и, через переход база - коллектор второго транзистора, - с корпусом, его неинвертирующий вход - со вторым выводом второго резистора и, через пятый резистор, - с корпусом, а его выход - со вторым выводом третьего резистора и затвором третьего транзистора, исток которого соединен с корпусом через первый транзистор, точка соединения первого и второго транзисторов связана через шестой резистор с выходом второго операционного усилителя и затвором первого транзистора, а также, через седьмой резистор, - с инвертирующим входом второго операционного усилителя, который также связан с корпусом через восьмой резистор, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен со вторым выводом четвертого резистора и, через девятый резистор, - с корпусом.

На рис.1 приведена принципиальная схема электронного нагревателя корпуса полости испарения СУГ редуктора-испарителя.

Схема нагревателя содержит прикрепленные к наружной поверхности корпуса полости испарителя с обеспечением максимального теплового контакта первый мощный полевой MOSFET-транзистор 1 p-канала и второй транзистор 2 типа n-p-n, третий MOSFET-транзистор 3 p-канала, а также первый 4 и второй 5 операционные усилители, девять резисторов: первый - 5, второй - 6, третий - 7, четвертый - 8, пятый - 9, шестой - 10, седьмой - 11, восьмой - 12, девятый - 13 и предохранитель 14. Первый вывод предохранителя 13 подключен к положительному выводу источника питания, его второй вывод соединен с первыми выводами резисторов 5, 6, 7, 8 и стоком транзистора 3, инвертирующий вход операционного усилителя 4 соединен со вторым выводом резистора 5 и, через переход база - коллектор транзистора 2, - с корпусом, его неинвертирующий вход - со вторым выводом резистора 6 и, через резистор 9, - с корпусом, а его выход - со вторым выводом резистора 7 и затвором транзистора 3, исток которого соединен с корпусом через транзистор 1. Точка соединения транзисторов 1 и 3 связана через резистор 6 с выходом операционного усилителя 5 и затвором транзистора 1, а также, через резистор 11, - с инвертирующим входом операционного усилителя 5, который также связан с корпусом через восьмой резистор 12, а неинвертирующий вход операционного усилителя 5 соединен со вторым выводом резистора 8 и, через резистор 13, - с корпусом.

В процессе работы нагревателя мощный полевой MOSFET-транзистор 1 p-канала, включенный по схеме источника тока с общим стоком в режиме короткого замыкания, выполняет функцию собственно нагревательного элемента. В нагревателях испарителей с большими расходами СУГ таких транзисторов, прикрепленных к корпусу испарителя, может быть параллельно включено несколько, поскольку они допускают параллельную работу без каких-либо дополнительных устройств выравнивания токов. Транзистор 2 типа n-p-n используется в качестве датчика температуры корпуса полости испарителя, и удобно крепится к корпусу за проушину, соединенную с коллектором. MOSFET-транзистор 3 p-канала, используется в качестве коммутатора источника тока и измерительного токового шунта, поскольку он характеризуется очень стабильным и небольшим сопротивлением перехода сток-исток в режиме насыщения и выгодно отличается от доступных шунтов габаритами, тепловыми потерями и способом крепления на плате.

После подачи напряжения питания на схему холодного нагревателя напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя (ОУ) 4 больше напряжения на его не инвертирующем входе, которое задает уровень температуры прогрева корпуса испарителя с помощью делителя напряжения, выполненного на резисторах 6 и 9. Низкое напряжение выхода ОУ 4 отпирает транзистор 3, и он подает напряжение питания на источник тока. Через последовательные транзисторы 1 и 3 начинает протекать стабилизированный ток нагрева, величина которого определяется автоматически поддерживаемым напряжением смещения на затворе транзистора 1. Величина этого тока задается с помощью делителя напряжения, выполненного на резисторах 8 и 13, а стабилизация тока осуществляется с помощью напряжения отрицательной обратной связи (ООС), снимаемого с делителя, образуемого, включенными последовательно, переходом сток - исток транзистора 3 и резисторами 11 и 12. Напряжение задания тока нагрева и сигнала ООС по току сравниваются на входах ОУ 2, который управляет смещением на затворе транзистора 1, удерживая его в активном режиме и с высокой точностью поддерживая заданный ток. К переходу сток - исток прикладывается практически все напряжение источника питания (за вычетом небольшого падения на соединительном проводе, предохранителе и транзисторе 3 - токоизмерительном шунте). Такая схема нагревателя позволяет развивать на одном транзисторе 1 мощность от десятков до сотен ватт. После достижения заданной температуры корпуса испарителя напряжение на переходе база - коллектор транзистора 2 (датчик температуры) становится меньше напряжения на неинвертирующем входе ОУ 1, и напряжение высокого уровня на его выходе запирает транзистор 3 (теперь он выполняет функцию коммутатора), ток нагревателя прерывается, и корпус испарителя охлаждается. Затем циклы нагрев-охлаждение продолжаются, как описано выше. Поскольку гистерезис входного напряжения ОУ 1 составляет несколько милливольт, стабильная температура нагрева корпуса испарителя поддерживается с дрейфом в 1-3 градуса.

Новый отличительный признак заявляемого устройства - обеспечение электронного нагрева СУГ - находится в причинно-следственной связи со следующим техническим результатом:

- упрощение конструкции редуктора-испарителя за счет устранения жидкостного охлаждения;

- упрощение монтажа редуктора-испарителя в части технических средств обеспечения функций нагревателя-испарителя;

- гарантированный запуск холодного ДВС на СУГ при отрицательных температурах;

- повышение точности поддержания температуры СУГ на входе в ДВС;

- повышение скорости коррекции редуктором-испарителем температуры СУГ при резких изменениях режимов работы ДВС.

При изучении патентной и технической литературы авторы не нашли источника, содержащего признак, отличающий заявляемое решение. Это позволяет считать его соответствующим критерию «новизна». Несмотря на актуальность проблемы, аналогичное решение с указанным результатом не было предложено ранее, и оно не является очевидным для специалиста, что позволяет считать его соответствующим критерию «изобретательский уровень».

Описанная система является технически завершенной, выполнена на известной элементной базе и может быть изготовлена промышленным способом.

Изобретение может быть использовано в системах питания газовых ДВС, с воздушным охлаждением. Источник тепла для газового редуктора выполнен в виде прикрепленного к наружной поверхности полости испарителя редуктора первого MOSFET-транзистора p-канала, входящего в состав схемы электронного нагревателя корпуса полости испарителя. Полная схема электронного нагревателя содержит второй транзистор типа n-p-n, третий MOSFET-транзистор p-канала, два операционных усилителя, девять резисторов и предохранитель. Технический результат: упрощение конструкции редуктора испарителя за счет устранения жидкостного охлаждения, его монтажа, гарантированный запуск холодного ДВС на газовом топливе при отрицательных температурах, повышение точности поддержания температуры газа на входе в ДВС и повышение скорости коррекции редуктором-испарителем температуры газа при резких изменениях режимов работы ДВС. 1 ил.

Редуктор-испаритель для сжиженного углеводородного газа, имеющий металлический корпус со сформированной в нем полостью испарителя СУГ, выполненной с возможностью подогрева внешним источником тепла, отличающийся тем, что внешний источник тепла выполнен в виде прикрепленного к наружной поверхности полости испарителя первого MOSFET-транзистора p-канала, входящего в состав схемы электронного нагревателя корпуса полости испарителя, а полная схема электронного нагревателя также содержит второй транзистор типа n-p-n, третий MOSFET-транзистор p-канала, два операционных усилителя, девять резисторов и предохранитель, причем первый вывод предохранителя подключен к положительному выводу источника питания, его второй вывод соединен с первыми выводами первого, второго, третьего, четвертого резисторов и стоком третьего транзистора, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен со вторым выводом первого резистора и, через переход база - коллектор второго транзистора, - с корпусом, его неинвертирующий вход - со вторым выводом второго резистора и, через пятый резистор, - с корпусом, а его выход - со вторым выводом третьего резистора и затвором третьего транзистора, исток которого соединен с корпусом через первый транзистор, точка соединения первого и второго транзисторов связана через шестой резистор с выходом второго операционного усилителя и затвором первого транзистора, а также, через седьмой резистор, - с инвертирующим входом второго операционного усилителя, который также связан с корпусом через восьмой резистор, а его не инвертирующий вход соединен со вторым выводом четвертого резистора и, через девятый резистор, - с корпусом.