СИСТЕМА ПОДАЧИ СЖИЖЕННОГО ГАЗА Российский патент 2015 года по МПК F02M21/00 F02M51/00 F02D19/00 F02D41/22 

Изобретение относится к системам питания двигателей внутреннего сгорания, а именно к системам топливоподачи сжиженного газового топлива.

Сжиженный газ, используемый в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, в зависимости от конструкции системы питания может претерпевать фазовые превращения в топливном баке и линии топливоподачи, подвергаться дросселированию, переходить из жидкого в газовое состояние и т.п. При этом в зоне дросселирования газа обычно наблюдается изменение температуры газа, что известно как эффект Джоуля-Томпсона. Для диапазона рабочих давлений, например, сжиженной пропан-бутановой смеси дросселирование газа приводит к существенному охлаждению газового потока. Дросселирование сжиженного газа в зоне дозирующего клапана газовой форсунки приводит к нарушению ее работоспособности, залипанию клапана, обмерзанию распылителя форсунки и т.д.

Известно техническое решение, в котором для устранения образования льда в зоне распылителя форсунки предлагается снабдить распылитель форсунки насадком из материала, хорошо проводящего тепло (патент Франции №2770876). Насадок размещается так, чтобы он контактировал с горячими частями двигателя. Недостатком является сложность конструкции насадка и компоновочные ограничения: форсунку можно размещать только в непосредственной близости от горячих деталей двигателя. Кроме того, отсутствует возможность регулирования степени нагрева распылителя форсунки и не решается проблема холодного пуска двигателя.

В известной двухтопливной системе питания (европейская заявка №2071158) решается проблема преодоления залипания клапанов газовых форсунок, особенно при пуске двигателя транспортного средства в условиях холодной погоды. Согласно изобретению по меньшей мере одна газовая форсунка снабжена электронагревателем. Управление электронагревателем осуществляет блок управления, который получает необходимую информацию от датчиков давления и температуры газового топлива. Недостатком данного решения является необходимость прокладывания дополнительной электропроводки и размещения на корпусе форсунки электронагревателя. Кроме того, электронагреватель потребляет дополнительное количество электроэнергии, что при некоторых применениях двигателя не всегда возможно и целесообразно.

Известна система питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газовым топливом (патент РФ №108499), которая выбрана в качестве наиболее близкого аналога. Система включает в себя резервуар со сжиженным газовым топливом и размещенным в нем топливным насосом с подающим трубопроводом, топливный аккумулятор с регулятором давления и электроуправляемые форсунки, связанные с электронным блоком управления. При этом каждая электромагнитная форсунка системы снабжена двумя устройствами подогрева: первое из них выполнено в виде съемного полого элемента со штуцерами для подвода и отвода жидкости из системы охлаждения двигателя и охватывающего корпус форсунки в области распылителя, а второе - в виде индивидуального электроподогревающего устройства с нагревательным элементом и датчиком температуры. Система снабжена переключателем установки мощности подогрева электромагнитных форсунок.

Недостатки данного технического решения в отношении использования электроподогревающего устройства те же: необходимость прокладывания дополнительной электропроводки и потребление дополнительного количества электроэнергии на нагрев распылителя форсунки. Применение жидкостного подогрева увеличивает габаритные размеры форсуночного модуля и вводит компоновочные ограничения по размещению газовых форсунок. Использование двух нагревающих устройств приводит к неоправданному усложнению форсуночного модуля.

Задача изобретения заключается в обеспечении работоспособности системы подачи сжиженного газа и двигателя внутреннего сгорания в целом с использованием стандартных газовых форсунок.

Технический результат состоит в повышении надежности работы системы подачи сжиженного газа.

Заявленный технический результат достигается тем, что система подачи сжиженного газа в двигатель внутреннего сгорания, содержащая резервуар со сжиженным газовым топливом, топливный насос с подающим трубопроводом и гидравлически связанные с ним форсунки, которые электрически связаны с электронным блоком управления и образуют первую группу форсунок. Система согласно изобретению дополнительно содержит датчик температуры газового топлива, датчик давления газового топлива, подключенные к блоку управления, и вторую группу форсунок, гидравлически связанную с подающим трубопроводом и включающую, по меньшей мере, одну газовую форсунку, при этом каждая группа форсунок снабжена сливным трубопроводом, связанным с резервуаром, а подающий трубопровод каждой группы форсунок снабжен управляемым клапаном, выполненным с возможностью перекрытия подающего трубопровода.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что наличие в составе системы подачи сжиженного газа второй группы форсунок позволяет дублировать подачу топлива в цилиндры двигателя, осуществляя оперативное переключение подачи газового топлива с одной группы форсунок на другую. Наличие сливного трубопровода гарантирует предотвращение образования газопаровых пробок в подающем трубопроводе, что повышает надежность работы системы. Наличие управляемых клапанов, перекрывающих подающий трубопровод, обеспечивает возможность переключения газовых форсунок в режим прогрева, что также повышает надежность работы системы в целом.

Признаки заявленного изобретения могут быть дополнены и могут иметь развитие.

Желательно, чтобы в каждой группе форсунок, по меньшей мере, одна из форсунок была снабжена датчиком температуры.

Целесообразно снабдить систему подачи сжиженного газа датчиком температуры газового топлива, датчиком давления газового топлива, подключенными к блоку управления.

Целесообразно также снабдить резервуар со сжиженным газовым топливом нагревательным элементом.

Лучшие показатели могут быть достигнуты, если система подачи сжиженного газа будет снабжена датчиком обледенения.

Желательно также, чтобы, по меньшей мере, одна из групп форсунок содержала форсунки, количество которых равно количеству цилиндров двигателя.

Изобретение поясняется подробным описанием со ссылкой на фигуру чертежа, где изображена схема системы подачи сжиженного газа в двигатель внутреннего сгорания.

Система подачи сжиженного газа в двигатель 1 содержит резервуар 2 со сжиженным газовым топливом, топливный насос 3 с подающим трубопроводом 4. Подающий трубопровод 4 гидравлически связан с электроуправляемыми форсунками. Форсунки образуют две группы. Первая группа форсунок включает форсунки 5-8. Вторая группа форсунок в данном случае содержит одну форсунку 9. Форсунки 5-9 электрически связаны с электронным блоком управления 10. Каждая группа форсунок снабжена сливным трубопроводом 11, который гидравлически связан с резервуаром 2.

Количество форсунок в первой группе может быть равно количеству цилиндров двигателя 1. В этом случае может быть организован фазированный впрыск сжиженного газа в зону впускных клапанов или непосредственно в цилиндры двигателя. Схема фазированного впрыска топлива известна из общего уровня техники.

Если по компоновочным соображениям необходимо использовать меньшее количество форсунок в первой группе, то форсунки должны располагаться перед разветвлением впускного трубопровода двигателя 1. В предельном случае первая группа может содержать одну форсунку, обслуживающую все цилиндры двигателя. Для повышения работоспособности системы подачи топлива, ее надежности путем обеспечения дублирования первая группа может содержать, по меньшей мере, две газовые форсунки, каждая из которых имеет расходные характеристики, покрывающие не менее 50% расчетного потребления газового топлива всех цилиндров двигателя.

Вторая группа форсунок также может содержать одну и более форсунок. Если количество форсунок во второй группе меньше количества цилиндров двигателя, то форсунки данной группы должны быть установлены до разветвления впускного трубопровода двигателя 1. При использовании одной форсунки 9, как показано на чертеже, ее расходные характеристики выбираются из условия обеспечения 100%-ного расчетного потребления газового топлива всех цилиндров двигателя. Применение двух и более форсунок в составе второй группы снижает требования к их расходным характеристикам и соответственно уменьшает их габаритные размеры. Использование двух и более форсунок дает возможность реализовать различные компоновочные решения, а также повысить работоспособность системы питания в целом.

Взаимное расположение форсунок первой и второй групп по длине впускного трубопровода может быть различным. Например, форсунки первой группы могут быть установлены в зоне впускных клапанов двигателя 1, а форсунки второй группы - до разветвления впускного трубопровода, например в его ресивере. Этот вариант расположения форсунок позволит менять склонность к льдообразованию в зоне распылителей форсунок первой и второй групп.

Возможен вариант размещения форсунок первой и второй групп вблизи друг от друга. Такое расположение может быть выгодно с точки зрения обеспечения компактного расположения форсунок и сокращения затрат на прокладку электрических кабелей, элементов напорного и сливного трубопроводов.

Подающий трубопровод каждой группы форсунок снабжен управляемым клапаном, выполненным с возможностью перекрытия подающего трубопровода. В схематическом решении, приведенном на чертеже, перекрытие подающего трубопровода 4 первой группы форсунок 5-8 осуществляется трехходовым клапаном 12. Перекрытие подающего трубопровода 4 второй группы форсунок осуществляется электромагнитным клапаном 13. В случае использования общего сливного трубопровода 11 для первой и второй групп форсунок (как это показано на чертеже) в сливной трубопровод устанавливается обратный клапан 14. Клапан 14 препятствует перетоку газового топлива по сливному трубопроводу 11 к форсункам 5-8 первой группы.

В каждой группе форсунок, по меньшей мере, одна из форсунок снабжена датчиком температуры 15. Датчики температуры 15 могут быть размещены на корпусах форсунок 5 и 9. В качестве датчика температуры 15 может быть использован любой из известных типов датчиков, например датчик температуры резистивного типа. Датчики температуры 15 используются для прогнозирования льдообразования в зоне распылителей форсунок.

Прогнозирование льдообразования осуществляется в блоке управления 10, где по известным зависимостям на основе информации от датчиков состояния окружающей среды и параметров работы двигателя (датчики на чертеже не показаны) осуществляется расчет вероятности льдообразования. В качестве датчиков состояния окружающей среды могут быть использованы датчики температуры и давления окружающего воздуха, а также влажности (влагосодержания) окружающего воздуха. В качестве датчиков параметров работы двигателя могут быть использованы датчик нагрузки (например, датчик положения дроссельной заслонки или датчик массового расхода воздуха), датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик температуры топливовоздушной смеси, датчик расхода газового топлива.

Система подачи сжиженного газа снабжена также датчиком 16 температуры газового топлива и датчиком 17 давления газового топлива. Датчики 16 и 17 установлены на подающем трубопроводе 4 и подключены к блоку управления 10. Информация от датчиков 16 и 17 используется для корректировки расчетного количества подаваемого газового топлива. Информация от датчиков 16 и 17 также может быть использована в качестве корректирующей информации при прогнозировании льдообразования на распылителях форсунок 5-9.

Резервуар 2 со сжиженным газовым топливом может быть снабжен нагревательным элементом 18. Нагревательный элемент 18 используется для подогрева (повышения температуры) газового топлива в резервуаре 2 на режимах, опасных с точки зрения льдообразования. Элемент 18 может быть выполнен в виде электронагревателя, жидкостного или газового нагревателя, связанного соответственно с системой охлаждения или системой выпуска отработавших газов двигателя 1.

Дополнительно, система подачи сжиженного газа может быть оборудована датчиком обледенения (на чертеже не показан). В качестве такового может быть использован стандартный авиационный датчик типа СО или РИО.

Система подачи сжиженного газа работает следующим образом.

Газовое топливо в жидкой фазе подается из резервуара 2 насосом 3 в подающий трубопровод 4. Давление топлива в подающем трубопроводе 4 поддерживается при помощи регулятора давления (на чертеже не показан). Излишки топлива сливаются по трубопроводу 11 в резервуар 2. Циркуляция топлива, находящегося в трубопроводе 4 под давлением выше давления насыщенных паров газовой смеси, гарантирует отсутствие парогазовых пробок в подающем трубопроводе 4.

Дозирование газового топлива осуществляется штатным образом форсунками 5-8 первой группы. В качестве форсунок могут быть использованы электромагнитные или пьезоэлектрические форсунки. Управление временем открытия форсунок 5-8 регулируется блоком управления 10 с учетом информации от датчиков рабочих параметров и параметров окружающей среды (на чертеже не показаны). В качестве указанных датчиков используются: датчик нагрузки, датчик частоты вращения и положения коленчатого вала, датчики температуры и давления окружающего воздуха, датчик влажности (влагосодержания) окружающего воздуха, датчик температуры топливовоздушной смеси, датчик содержания кислорода в отработавших газах. При необходимости учета других параметров, которые должны быть использованы для корректировки топливоподачи, могут быть использованы датчики, измеряющие величины данных параметров, например датчик детонации, датчик качества газового топлива (датчик, учитывающий состав газового топлива) и другие датчики.

При работе двигателя на сжиженном газе при определенных условиях возможно образование льда на распылителе форсунки и залипание дозирующего клапана (иглы) форсунки. Указанные явления приводят к изменению расходных характеристик газовых форсунок, что в свою очередь ведет к изменению состава топливовоздушной смеси и к перебоям в работе двигателя вплоть до его полной остановки.

Перебои в работе диагностируются по неравномерности скорости вращения вала двигателя или неравномерности крутящего момента или снижению расхода топлива через форсунки ниже расчетного или комбинации указанных измерений, а также другими известными методами.

В случае выявления перебоев в работе двигателя первая группа форсунок 5-8, через которую в штатном режиме осуществляется подача газового топлива, отключается от напорного трубопровода 4 трехходовым клапаном 12. При этом циркуляция топлива осуществляется по малому кругу, газовое топливо к форсункам 5-8 не поступает. В этот же момент времени открывается электромагнитный клапан 13, который сообщает топливный штуцер форсунки 9 с напорным трубопроводом 4. Двигатель 1 переключается на питание топливом через форсунку 9. При этом, несмотря на отключение форсунок 5-8 по топливу путем перекрытия напорного трубопровода 4, электрические импульсы от блока 10 к форсункам 5-8 продолжают поступать.

В момент обнаружения перебоев в работе двигателя с использованием датчиков 15 также фиксируется температура газовых форсунок. Текущая температура сравнивается с минимально допустимой температурой форсунок для данного режима работы двигателя и текущего состояния окружающей среды. На основании этих данных блоком управления 10 производится расчет времени, которое необходимо для повышения температуры форсунок до минимально допустимого значения. Повышение температуры форсунок 5-8 осуществляется за счет продолжающейся подачи электрических сигналов от блока 10 на управляющие обмотки или управляющие пьезоэлектрические элементы форсунок 5-8. Работа форсунок в холостом режиме, без подачи газового топлива, приводит к увеличению их температуры. При достижении температуры форсунок 5-8 порогового значения питание двигателя 1 топливом возобновляется через указанные форсунки.

Форсунка 9 при этом отключается от подающего трубопровода 4. Если температура форсунки 9 в этот момент ниже порогового значения, что фиксируется датчиком 15 температуры, то на нее продолжают поступать электрические импульсы от блока управления 10. При достижении заданной температуры форсунка 9 полностью выключается из работы.

В некоторых условиях работы двигателя 1 количество времени, которое необходимо для повышения температуры форсунок до минимально допустимого значения, может превышать допустимое значение. В этом случае блок управления дает команду на повышение температуры газового топлива в резервуаре 2. Подогрев газового топлива осуществляется нагревательным элементом 18. В зависимости от компоновки двигателя нагревательный элемент может быть выполнен в виде теплообменника, связанного с системой охлаждения двигателя или системой выпуска отработавших газов. В некоторых случаях допустимо использовать электрический нагревательный элемент.

Выполнение системы подачи газового топлива с двумя группами форсунок обеспечивает повышение надежности работы системы в целом за счет возможности переключения подачи газового топлива между группами форсунок и одновременного переключения отключенной по топливу группы форсунок в режим холостого хода для их прогрева.

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Система подачи сжиженного газа содержит резервуар (Р) 2 со сжиженным газовым топливом, топливный насос 3 с подающим трубопроводом (ПТ) 4 и гидравлически связанные с ним форсунки (Φ). Φ объединены в две группы 5-8 и 9 и связаны с электронным блоком управления 10. Каждая группа Φ снабжена сливным трубопроводом, связанным с резервуаром. ПТ каждой группы Φ снабжен управляемым клапаном, выполненным с возможностью перекрытия ПТ. Система содержит датчики температуры 16 и давления 17 газового топлива и датчик обледенения. В каждой группе Ф по меньшей мере одна из форсунок снабжена датчиком температуры. Ρезервуар снабжен нагревательным элементом. Технический результат состоит в повышении надежности работы системы подачи сжиженного газа. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система подачи сжиженного газа в двигатель внутреннего сгорания, содержащая резервуар со сжиженным газовым топливом, топливный насос с подающим трубопроводом и гидравлически связанные с ним форсунки, обеспечивающие дозирование топлива, которые электрически связаны с электронным блоком управления и образуют первую группу форсунок, отличающаяся тем, что содержит вторую группу форсунок, обеспечивающих дозирование топлива, гидравлически связанную с подающим трубопроводом, включающую по меньшей мере одну газовую форсунку, при этом каждая группа форсунок, которые обеспечивают дозирование топлива, снабжена сливным трубопроводом, связанным с резервуаром, а подающий трубопровод каждой группы форсунок снабжен управляемым клапаном, выполненным с возможностью перекрытия подающего трубопровода.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в каждой группе форсунок по меньшей мере одна из форсунок снабжена датчиком температуры.

3. Система по п. 1 или п. 2, отличающаяся тем, что содержит датчик температуры газового топлива, датчик давления газового топлива, подключенные к блоку управления.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что резервуар со сжиженным газовым топливом снабжен нагревательным элементом.

5. Система по п. 1 или 4, отличающаяся тем, что система снабжена датчиком обледенения.

6. Система по п. 3, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из групп форсунок содержит форсунки, количество которых равно количеству цилиндров двигателя.

7. Система по п. 5, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из групп форсунок содержит форсунки, количество которых равно количеству цилиндров двигателя.