УЗЕЛ РЕГУЛЯТОРА ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК F02M21/02 G05D16/20 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка на патент испрашивает приоритет заявки на патент Италии №102019000025390, поданной 23 декабря 2019 г., полное раскрытие которой включено в настоящий документ посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к узлу регулятора давления для системы подачи газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Как известно, система подачи газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания, например, сжиженного нефтяного газа (LPG) или метана, содержит бак для газа высокого давления, множество форсунок, узел регулятора давления, установленный между баком и форсунками для изменения давления газа, направляемого к форсункам, и электронный блок управления и контроля для управления потоком газа к форсункам в зависимости от изменений условий работы самого двигателя.

Поэтому чувствительность и точность узла регулятора давления необходимы для правильной работы системы подачи независимо от условий работы двигателя и также для того, чтобы всегда иметь возможность обеспечить высокий уровень производительности самого двигателя.

В настоящее время известны различные типы узлов регулятора давления. Так называемые двухступенчатые электромеханические узлы регулятора относятся к одному типу и содержат, в направлении потока газообразного топлива, первую ступень управления, образованную механическим редуктором давления, и вторую ступень редуцирования, образованную электромагнитным клапаном, управляемым с помощью электронного блока управления. Электромагнитный клапан, управляемый с помощью блока управления, регулирует расход топлива, подаваемого на форсунки.

Механический редуктор давления содержит преграждающую заслонку газообразного топлива на входе, которая открывается под действием пружины соответствующего размера, на которую воздействует газ, выходящий из того же механического редуктора.

Известные узлы регулятора вышеописанного типа, даже если они применяются повсеместно, не позволяют простым и особенно точным образом регулировать давление на выходе, т.е. расход газообразного топлива, подаваемого в двигатель, в частности, при резких изменениях скорости вращения указанного двигателя.

Вышеуказанное в основном связано с характеристиками осуществления и, следовательно, с работой механического редуктора. Действительно, в указанном редукторе предусмотрена механическая пружина, которая при открытии оказывает такое усилие, которое приводит к почти постоянному значению давления топлива, выходящего из редуктора.

Известные механические пружины часто имеют высокую инерцию, что уменьшает время отклика всего узла регулятора.

Наконец, поскольку выход механического редуктора сообщается непосредственно с входом электромагнитного клапана, газообразное топливо оказывает усилие для открытия электромагнитного клапана, которому противостоит действие механической пружины того же электромагнитного клапана, действующее при закрытии. Именно высокое давление на входе в электромагнитный клапан делает точное управление тем же электромагнитным клапаном для определенного расхода сложным и относительно трудным, в дополнение к тому, что требуются пружины, способные оказывать высокие тяговые усилия, противодействующие действию открытия, оказываемому топливом на входе в электромагнитный клапан.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является предоставление узла регулятора давления, который является чрезвычайно простым с точки зрения конструкции, имеет ограниченные габариты и массу и прост в управлении.

В частности, целью настоящего изобретения является предоставление узла регулятора давления, который, по сравнению с известными узлами регулятора, позволяет точно изменять расход топлива в широком диапазоне расхода без изменения габаритов и затрат или при наличии имеющихся затрат и габаритов без изменения расхода.

Согласно настоящему изобретению предлагается узел регулятора давления для системы подачи газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания; причем узел регулятора содержит первый редуктор давления, выполненный с возможностью приема на входе газообразного топлива, и второй редуктор давления, расположенный последовательно с первым редуктором и содержащий электрический привод и механическую возвратную пружину для регулирования давления/расхода газообразного топлива, подаваемого в двигатель; причем первый редуктор содержит:

- камеру впуска топлива;

- камеру выпуска топлива;

- промежуточную камеру, расположенную между камерой впуска и выпуска;

- разделительный элемент, вставленный герметичным образом между указанной промежуточной камерой и указанной камерой выпуска;

- проход для сообщения между камерой впуска и камерой выпуска;

- преграждающий элемент, как единое целое соединенный с указанным разделительным элементом и выполненный с возможностью преграждения пути для топлива, проходящего по указанному проходу для сообщения; и

- механическую открывающую пружину, расположенную в указанной промежуточной камере и толкающую разделительный элемент в сторону указанной камеры выпуска;

причем указанный второй редуктор содержит впускной канал, сообщающийся с камерой выпуска указанного первого редуктора;

- камеру выпуска газообразного топлива, направленного к двигателю; и

- затворный элемент, вставленный между указанным впускным каналом и указанной камерой выпуска и приводимый в движение указанным электрическим приводом и указанной возвратной пружиной, характеризующийся тем, что указанная промежуточная камера является герметичной камерой, причем она дополнительно содержит канал для сообщения указанной промежуточной камеры с указанной камерой выпуска указанного второго редуктора.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу подачи газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания.

Согласно настоящему изобретению предложен способ подачи газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания, как заявлено в пункте 8 формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Далее настоящее изобретение будет описано со ссылкой на прилагаемые графические материалы, которые иллюстрируют неограничивающий вариант осуществления, где:

на фиг. 1 схематично и в основном блоками показан двигатель внутреннего сгорания, снабжаемый системой подачи, оснащенной узлом регулятора давления в соответствии с требованиями настоящего изобретения;

на фиг. 2 показан в поперечном сечении и в увеличенном масштабе регулятор давления, изображенный на фиг. 1;

на фиг. 3 схематично и в основном блоками показана деталь, изображенная на фиг. 2;

на фиг. 4 показана фигура, аналогичная фиг. 3, и иллюстрирующая вариант детали, изображенной на фиг. 3; и

на фиг. 3 графически изображена работа обычного регулятора давления и двух различных регуляторов давления согласно настоящему изобретению, изображенных на фиг. 3 и фиг. 4.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ РЕАЛИЗАЦИИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 позицией 1 обозначена в целом система для подачи газообразного топлива, например, EPG или метана, в двигатель 2 внутреннего сгорания транспортного средства, которое не показано.

Система 1 содержит бак 3, содержащий топливо, которое должно подаваться в двигатель 2, форсуночный узел 4, известный сам по себе и не описанный подробно, и узел 5 регулятора давления топлива, установленный между баком 3 и форсуночным узлом 4.

Кроме того, система 1 содержит электронный блок 6 управления, также известный как таковой и не описанный подробно, электрически соединенный с форсуночным узлом 4 и узлом 5 регулятора для подачи заданного расхода топлива в двигатель 2 в зависимости от условий работы самого двигателя 2.

Снова обратимся к фиг. 1 и, в частности, к фиг. 2; узел 5 регулятора содержит последовательно, в направлении прямого потока топлива из бака 3 к двигателю 2: редуктор 7 давления с механическим и пневматическим приводом и электрический редуктор 8 давления, который электрически управляется и контролируется посредством блока 6 управления и состоит из сервоклапана, преимущественно пропорционального клапана.

Как показано на фиг. 2, узел 5 регулятора содержит основной элемент 10, в котором размещено устройство нагрева топлива, известное как таковое и схематично показанное, и полый элемент 12, герметично соединенный с основным элементом 10.

Полый элемент 12 выступает из основного элемента 10 и вместе с самим основным элементом 10 ограничивает два углубления 13 и 14, которые с одной стороны открыты, а с другой стороны сообщаются между собой через канал 15 для сообщения (см. фиг. 2), который проходит в основном элементе 10.

Полый элемент 10 содержит часть 16 (см. фиг. 2), которая ограничивает углубление 13 и практически образует наружный корпус редуктора 7 давления, и часть 18, которая ограничивает углубление 14 и образует наружный корпус редуктора 8.

Редуктор 7 давления содержит закрывающий элемент 19, который закрывает герметичное углубление 13, и полый шток 19А (см. фиг. 2), который проходит внутри углубления 13 коаксиально оси 20.

Шток 19А, в свою очередь, содержит промежуточную часть 21, соединенную с частью 16 в осевом направлении герметично и с возможностью скольжения, концевую часть, выполненную с возможностью упора в неметаллический опорный элемент 23, и противоположную концевую часть 24, постоянно соединенную с плунжером 25.

Элемент 23 герметично соединен с закрьшающим элементом 19 и ограничивает с самим закрывающим элементом 19 камеру 26, сообщающуюся с внешней средой. Элемент 23, кроме того, ограничивает уплотнительным элементом 23А, через который проходит шток 19А, камеру 13А впуска топлива, которая соединена с баком 3 посредством трубки Н (фиг. 1 и фиг. 2) и изолирована от камеры 26.

Опять же, как показано на фиг. 2, плунжер 25 ограничивает с элементом 10 и частью 16 камеру 27 выпуска, в которую выходит канал 15 (фиг. 2).

Опять же, как показано на фиг. 2, плунжер 25 затем ограничивает с частью 16 промежуточную герметичную камеру 28. В промежуточной камере 28 находится спиральная пружина 29, прижатая к поверхности 25А поршня 25, с одной стороны, и к заплечику Р части 16, с другой стороны.

Как показано на фиг. 2 и, в частности, на фиг. 3, поверхность 25В поршня 2, расположенная с противоположной стороны от контактной поверхности 25А пружины 29 и ограничивающая камеру 27, имеет расширение, которое больше расширения самой поверхности 25А.

В варианте, показанном на фиг. 4, поршень 25 содержит два круглых фланца 32 и 33, которые аксиально удалены друг от друга вдоль оси 20 и оба совместно соединены со штоком 19А.

Фланец 32 герметично соединен с частью 16, ограничивает камеру 27 выпуска и имеет наружный диаметр D1, который меньше наружного диаметра D2 фланца 33.

Фланец 33 соединен с герметичной частью 16 и разделяет промежуточную камеру 28 на две камеры 34 и 35, из которых камера 35 является герметичной камерой, в которой находится пружина 29, тогда как камера 34 является камерой, сообщающейся с внешней средой и, следовательно, находящейся под давлением окружающей среды.

Опять же, как показано на фиг. 2, редуктор 8 содержит, кроме того, концевую часть 36, которая вставляется герметично в часть 18 и через которую проходит канал 38, который сообщается с каналом 15 (см. фиг. 2), с одной стороны, и с кольцевой камерой 39 выпуска, с другой стороны.

Камера 39 выпуска образована между трубчатой частью 18 и концевой частью 36 и сообщается с входом форсуночного узла 4 посредством канала К для подачи газообразного топлива под пониженным давлением в двигатель 2 (фиг. 1).

Внутри камеры 39 редуктор 8 содержит подвижный затворный элемент 40, известный как таковой, для регулировки проходного сечения канала 38. Подвижный затворный элемент 40 постоянно соединен с подвижным элементом 41 электрического привода 42 редуктора 8 и под действием спиральной пружины 43 приводится в движение и закрывает канал 38.

Электрический привод 42 известен сам по себе и не описывается подробно, он перемещает подвижный затворный элемент 40 вдоль оси 44, преимущественно, но не обязательно, параллельно оси 20 под управлением электронного блока 6 управления.

Опять же, как показано на фиг. 2, камера 39 выпуска редуктора 8 находится в сообщении по текучей среде посредством канала 45, выходящего в камеру 39, с одной стороны, и в камеры 28 или 35 (фиг.4), где размещена пружина 29, с другой стороны.

Из сказанного выше следует, что благодаря наличию канала 45 в камерах 39, 28 или 35 присутствует одно и то же значение давления, а именно давление Р2 в камере 39 выпуска редуктора 8. Из этого следует, что во время работы как усилие пружины 29, так и усилие пневматической пружины, возникающее под действием давления Р2, действующего на поверхность 25А поршня 25, действуют на поршень 35. Следовательно, давление Р1 на выходе из редуктора 7 давления будет представлять собой сумму «механической» составляющей, создаваемой пружиной 29, и «пневматической» составляющей, создаваемой давлением Р2.

Из вышесказанного следует, что по сравнению с известными решениями, редуктор 7 давления является «сервоуправляемым и управляемым в замкнутом контуре» и, в частности, редуктором, давление Р1 на выходе которого изменяется не только непрерывным образом, но и пропорционально давлению Р2 топлива, подаваемого и направляемого в форсуночный узел 4, или в зависимости от него.

Вышесказанное явно следует из рабочих графиков, показанных на фиг. 5, где линия А представляет собой постоянную тенденцию давления на выходе Р1 обычного регулятора давления с механическим редуктором с механической пружиной при изменении давления Р2, в то время как линия В представляет собой изменение давления Р1, опять же при изменении давления Р2, для редуктора 7 в конфигурации, показанной на фиг. 3. Линия С вместо этого представляет собой изменение давления Р1, опять-таки, при изменении давления Р2, для редуктора 7 в конфигурации, показанной на фиг. 4.

Исследуя тенденции кривых В и С, можно сразу заметить, что в обоих описанных вариантах осуществления редуктора 7, связанная с ним пружина 29 оказывает усилие, которое значительно меньше усилия, оказываемого пружинами, применяемыми в обычных механических редукторах. Фактически, в редукторе 7, когда давление Р2 приближается к нулю, давление Р1, которое на практике является усилием, создаваемым исключительно механическим компонентом, всегда меньше значения давления Р1 обычного регулятора. Когда усилие пружины 29 уменьшается, при сохранении геометрического положения узла шток-цилиндр, кривая В смещается вниз, оставаясь по существу параллельной самой себе, о чем свидетельствует кривая D.

Обстоятельство, при котором усилие, оказываемое пружиной 29, всегда минимально, также представлено линией С, где различный наклон по сравнению с кривыми В и D является следствием того, что поверхность 25 В больше поверхности 25А.

В заключение, очевидно, что после определения усилия пружины 29 и/или соотношения между поверхностями 25А и 25В, можно настроить узел 5 регулятора или, скорее, создать его характерную специфическую линию таким образом, что для более высоких давлений Р2 можно иметь, при том же максимальном сечении исходящего потока, соответствующем проходному сечению канала 38, больший расход, чем у известных регуляторов давления.

Управление редуктором 7 на основе давления Р2 позволяет легче управлять давлением на выходе редуктора 8, затвор 40 которого управляется на открытие именно давлением Р1. Электрический привод 42 создает магнитное поле, которое стремится открыть затвор 40 и, следовательно, действует в том же направлении, что и усилие давления, создаваемое давлением Р1. Вместо этого пружина 43 оказывает противоположное усилие, а именно такое, которое заставляет затвор 40 закрываться.

Поэтому в регуляторе давления, когда электрический редуктор 8 находится в закрытом состоянии, а давление на выходе Р2 равно атмосферному значению, усилие, создаваемое топливом на заслонке 40, минимально. Отсюда следует, что по сравнению с известными решениями, усилие, необходимое пружине 43 для удержания затвора 40 в закрытом состоянии, также будет минимальным, и поэтому она может иметь соответствующие размеры.

Таким образом, когда необходимо обеспечить низкий расход, и в этом случае обычно работают с относительно низкими значениями давления Р2 (см. фиг. 5), можно осуществлять дозирование значительно более точным образом, поскольку действие, необходимое для перемещения затвора 40, преодолевая действие пружины 43, невелико, и давление Р1 ниже.

Когда, вместо этого, необходимо обеспечить высокий расход, и то же самое получается при высоких значениях Р2 (см. фиг. 5), опять же по сравнению с известными решениями, можно получить более высокий расход, поскольку значение давления Р1 выше и поскольку то же самое действует на открытие затвора 40, который будет легко двигаться при открытии, делая сужение минимальным.

Из вышесказанного следует, что в регуляторе 5 контроль и управление двумя редукторами 7 давления и 8 осуществляется исключительно с помощью электрического привода 42 и, следовательно, путем подачи единственного сигнала контроля и управления.

Из вышесказанного очевидно, что можно предусмотреть модификации и варианты, не выходя за объем правовой охраны настоящего изобретения. В частности, редукторы 7 и 8 могут быть выполнены иначе, чем описано в качестве примера. Канал 45 может быть обеспечен не внутри элемента 12, а из прохода, который по меньшей мере частично является наружным по отношению к самому элементу 12.

Более того, в редукторе 7 поршень 25 может быть заменен другим герметичным разделительным элементом, например, содержащим мембрану, без изменения способа работы самого редуктора 7 или узла 5.

Узел (5) регулятора давления для системы (1) подачи газообразного топлива в двигатель (2) внутреннего сгорания, имеющий первый редуктор (7) давления, выполненный с возможностью соединения с топливным баком (3), и второй редуктор (8) давления, приводимый в действие электрическим приводом (42) и имеющий впускное отверстие (38), соединенное с выпускным отверстием (27) первого редуктора (7), и камеру (39) выпуска газообразного топлива пониженного давления, направляемого в двигатель (2); преграждающий элемент (22) первого редуктора (7), перемещаемый поршнем (25), который отделяет выпускное отверстие (27) первого редуктора (7) от промежуточной камеры (28), в которой находится механическая пружина (29) для толкания поршня (25), и находящийся под давлением, равным давлению в камере (39) выпуска второго редуктора (8). Кроме того, представлен способ подачи газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания с помощью узла регулятора давления. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Узел регулятора давления для системы подачи газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания, причем узел регулятора содержит первый редуктор давления, выполненный с возможностью приема на входе газообразного топлива, и второй редуктор давления, расположенный последовательно с первым редуктором и содержащий электрический привод и механическую возвратную пружину для регулирования давления/расхода газообразного топлива, подаваемого в двигатель, причем первый редуктор содержит:

- камеру впуска топлива;

- камеру выпуска топлива;

- промежуточную камеру, расположенную между камерой впуска и выпуска;

- разделительный элемент, вставленный герметичным образом между указанной промежуточной камерой и указанной камерой выпуска;

- проход для сообщения между камерой впуска и камерой выпуска;

- преграждающий элемент, как единое целое соединенный с указанным разделительным элементом и выполненный с возможностью преграждения пути для топлива, проходящего по указанному проходу для сообщения; и

- механическую открывающую пружину, расположенную в указанной промежуточной камере и толкающую разделительный элемент в сторону указанной камеры выпуска;

причем указанный второй редуктор содержит впускной канал, сообщающийся с камерой выпуска указанного первого редуктора;

- камеру выпуска газообразного топлива, направленного к двигателю; и

- затворный элемент, вставленный между указанным впускным каналом и указанной камерой выпуска и приводимый в движение указанным электрическим приводом и указанной возвратной пружиной, отличающийся тем, что указанная промежуточная камера является герметичной камерой, причем она дополнительно содержит канал для сообщения указанной промежуточной камеры с указанной камерой выпуска указанного второго редуктора.

2. Узел регулятора давления по п. 1, отличающийся тем, что указанный разделительный элемент имеет первую головную поверхность, которая ограничивает указанную промежуточную камеру, и вторую головную поверхность, противоположную указанной первой головной поверхности и ограничивающую указанную камеру выпуска, причем указанная первая головная поверхность имеет расширение, которое меньше расширения второй головной поверхности.

3. Узел регулятора давления по п. 1, отличающийся тем, что указанный разделительный элемент имеет первую головную поверхность, которая ограничивает указанную промежуточную камеру, и вторую головную поверхность, противоположную указанной первой головной поверхности и ограничивающую указанную камеру выпуска;

причем указанная первая головная поверхность имеет расширение, которое больше расширения указанной второй головной поверхности.

4. Узел регулятора давления по п. 3, отличающийся тем, что указанный разделительный элемент ограничивает дополнительную кольцевую камеру, расположенную между указанными первой и второй головными поверхностями, причем указанная дополнительная кольцевая камера сообщается с внешней средой.

5. Узел регулятора давления по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он содержит единый электронный блок контроля и управления указанных первой и второй ступеней редуцирования, причем указанный электронный блок управляет указанным регулятором путем отправки единого сигнала управления на указанный электрический привод.

6. Узел регулятора давления по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанный второй редуктор давления представляет собой пропорциональный клапан с непрерывным управлением.

7. Узел регулятора давления по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанный разделительный элемент представляет собой поршень или содержит мембрану.

8. Способ подачи газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания с помощью узла регулятора давления по п. 1, причем способ включает следующие этапы: применение к разделительному элементу первого редуктора давления пневматического воздействия, действующего в том же направлении, что и механическое воздействие, оказываемое механической открывающей пружиной, и создание в промежуточной камере давления, равного давлению, присутствующему в камере выпуска электромагнитного клапана.