УСТАНОВКА УЛАВЛИВАНИЯ ПАРОВ БЕНЗИНОВ ИЗ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ АВТОМОБИЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДВУХСТЕННОЙ ЕМКОСТИ

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам для улавливания паров и может быть использована в транспортном машиностроении для снижения токсичности автомобиля.
Данная полезная модель наиболее применима при улавливании паров высокооктановых нефтепродуктов из баков автомобилей с бензиновыми двигателями. К высокооктановым нефтепродуктам в первую очередь относятся автомобильные бензины.
Загрязнение воздушного бассейна при эксплуатации техники происходит при выделении паров горючего в процессе «малых» дыханий топливных баков. Потери от «малых» дыханий вызываются ежесуточными колебаниями температуры и парциального давления паров горючего (в основном автомобильных бензинов) в газовом пространстве бака. Температура нефтепродуктов, находящихся в топливных баках, зависит от температуры окружающей среды. В летнее время нефтепродукты в баках нагреваются до 30°С и более. Температура начала кипения бензинов составляет 35°С [А.С. Сафонов и др. Автомобильные топлива. Химмотология. Эксплуатационные свойства. Ассортимент. СПб.: НПИКЦ, 2002].
При данной температуре легкокипящие фракции бензинов превращаются в пар и через дыхательный клапан выходят в окружающую среду.
Потери от «больших» дыханий связаны с заправкой топливных баков бензином на автозаправочных станциях (АЗС). Нефтепродукт поступает в топливный бак и вытесняет пары бензина. Давление паров возрастает, что приводит к выбросу паров в атмосферу [А.С. Сафонов и др. Автомобильные топлива. Химмотология. Эксплуатационные свойства. Ассортимент. СПб.: НПИКЦ, 2002].
Загрязнение атмосферы парами нефтепродуктов оказывает вредное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. Пары нефтепродуктов относятся к четвертой группе опасности. Поэтому основными требованиями экологической безопасности при эксплуатации автомобилей является уменьшение концентрации паров нефтепродуктов выделяемых в процессе «малых» и больших дыханий топливных баков. Топливные баки таких марок автомобилей, как Газель, ЗИЛ, ПАЗ вмещают 100 литров бензина и более.
Борьба с потерями паров бензина при эксплуатации техники становится важной экологической и экономической задачей.
Известна установка улавливания паров нефтепродуктов из резервуаров и баков машин на автозаправочных станциях [Ю.А. Матвеев и др. Патент на полезную модель №131479 от 20.08.2013 г. Установка улавливания паров нефтепродуктов из резервуаров и баков машин на автозаправочных станциях]. В данной установке раздаточный кран, который вставляется в топливный бак автомобиля, оборудуется двухканальным раздаточным рукавом, соединенным с топливораздаточной колонкой. Пары нефтепродуктов через рукав с помощью агрегата подаются в участок паропровода, а затем через обратный клапан низкого давления в отдельный резервуар для сбора паров. Пары нефтепродуктов, откаченные из баков машин, за счет подачи агрегата скапливаются в резервуаре до определенного давления, на которое рассчитан обратный клапан повышенного давления. Давление паров регистрируется манометром, который линией связи соединен с реле. Реле включает электродвигатель, связанный с помощью муфты с валом, на котором находятся центробежные колеса.
После открытия обратного клапана повышенного давления пары нефтепродуктов по паропроводу поступают в теплообменник с перекачиваемой охлаждающей смесью. Затем смесь паров с жидким нефтепродуктом поступает в резервуар с вращающимся валом и центробежными колесами. В резервуаре происходит абсорбция паров нефтепродукта разбрызгиваемым по всему объему низкооктановым компонентом.
Недостатками указанной установки являются:
1. Возможность применения только во время заправки на АЗС.
2. Низкий процент оборудования данными установками АЗС.
Наибольшее количество топливных испарений идет от топливного бака. На показатели топливных потерь из бензобаков существенное влияние оказывают конструктивные факторы, которые определяют температуру топлива в баке, свободную поверхность испарения, ограничение перемешивания топлива при движении автомобиля. Поэтому для снижения топливных потерь из бензобаков автомобилей по возможности устраняется нагрев баков от выпускной системы автомобиля, а также от солнечных лучей. Для улавливания топливных испарений из топливного бака разработаны специальные системы, которые не ухудшают мощностных, экономических и токсических характеристик автомобилей.
Известна система вентиляции топливного бака [Е.Л. Савич. Легковые автомобили. Учебное пособие. М.: Новое знание, 2009]. Данная система включает топливный бак, адсорбер с активированным углем, электробензонасос, паропроводы, топливопроводы, электромагнитный клапан продувки адсорбера, форсунку впрыска, впускной трубопровод, датчики: частоты вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости и кислорода, блок управления двигателем.
С увеличением давления паров бензина в баке, пары топлива поступают в адсорбер и удерживаются в нем. Адсорбер представляет собой емкость с подсоединенными патрубками, заполняемую поверхностно-активным веществом - адсорбентом. Адсорбенты, помимо высокой поглощающей способности, должны отличаться стабильными характеристиками при изменении температуры окружающей среды, эффективной десорбцией (освобождением накопленных паров) и стабильностью при многократном повторении циклов адсорбция-десорбция, невосприимчивостью к атмосферной влаге, высокой механической прочностью. Наиболее приемлемым адсорбентом является активированный уголь АГ-3, получаемый из каменного угля и полукокса.
После обработки входных сигналов блок управления двигателем выдает команду на открытие электромагнитного клапана. В результате накопленные в адсорбере пары топлива отводятся во впускной трубопровод двигателя и затем сжигаются в его цилиндрах. При этом кратковременно изменяется соотношение топлива и воздуха в смеси.
Недостатками данного устройства являются:
1. Низкая эффективность конденсации паров в адсорбере.
2. Отсутствие в топливном баке устройства для слива воды.
3. Большое количество испарений при заправке автомобиля на АЗС.
4. Кратковременное изменение соотношение топлива и воздуха в смеси при отводе паров во впускной трубопровод двигателя.
Также известна система централизованного впрыскивания, которая предусматривает адсорбер для поглощения испарений бензина из системы питания [В.Р. Бурячко, А.В. Гук. Автомобильные двигатели. Рабочие циклы. Показатели и характеристики. Методы повышения эффективности энергопреобразования. СПб.: НПКИЦ, 2005]. Данная система включает топливный бак, сепаратор адсорбер с активированным углем, электробензонасос, паропроводы, топливопроводы, предохранительный и гравитационный клапаны, клапан продувки адсорбера, форсунку впрыска, впускной трубопровод двигателя.
С увеличением давления паров бензина в баке, пары топлива поступают в сепаратор, а затем через систему клапанов в адсорбер и удерживаются в нем. Адсорбер представляет собой емкость с подсоединенными патрубками, заполняемую поверхностно-активным веществом - адсорбентом. После создания определенного давления в адсорбере через клапан продувки пары бензина по паропроводу отводятся во впускной трубопровод двигателя и затем сжигаются в его цилиндрах.
Недостатками указанной системы являются:
1. Низкая эффективность конденсации паров в адсорбере и сепараторе.
2. Отсутствие в топливном баке устройства для слива воды.
3. Большое количество испарений при заправке автомобиля на АЗС.
4. Сложность и дороговизна конструкции.
Также известна система улавливания топливных испарений [Ушаков С.И. и др. Патент на полезную модель №45477 от 10.05.2005 г. Система улавливания топливных испарений].
Система содержит топливный бак, соединенный через трубопровод подачи пара с улавливающей емкостью - сепаратором. Далее сепаратор соединен трубопроводом подачи несконденсированного пара с емкостью с активированным углем-адсорбером. На трубопроводе подачи несконденсированного пара установлен клапан топливного бака.
Адсорбер через электромагнитный клапан продувки адсорбера соединен трубопроводом продувки с впускной системой - впускным ресивером двигателя.
Трубопровод подачи пара предназначен как для подачи паров топлива из топливного бака в сепаратор, так и для слива сконденсированного в сепараторе топлива в топливный бак.
Сепаратор выполнен в виде крышки люка и установлен в панели пола, под которым размещен топливный бак. Система улавливания топливных испарений предназначена для ограничения выброса в атмосферу паров топлива из топливного бака автомобиля.
В системе применены принципы: конденсации углеводородов на поверхности сепаратора; улавливание оставшихся паров угольным адсорбером; сжигание их при работающем двигателе (режим продувки адсорбера).
Сепаратор предназначен для конденсации паров топлива, поступающих из топливного бака по трубопроводу подачи пара. Образование конденсата происходит при контактировании паров топлива, имеющих более высокую температуру, и стенками сепаратора, с последующим отеканием его обратно в топливный бак по трубопроводу.
Оставшаяся часть паров топлива, не перешедшая в жидкое состояние, по трубопроводу подачи несконденсированного пара через клапан топливного бака поступает в адсорбер.
Адсорбер предназначен для улавливания паров бензина и удержания их при неработающем двигателе. В верхней части адсорбера установлен клапан продувки адсорбера, предназначенный для переключения адсорбера на режим продувки (регенерации), во время которого адсорбер соединяется с впускным ресивером двигателя. Продувка производится за счет разрежения в ресивере.
Такое выполнение полезной модели позволяет эффективно ограничить выбросы паров топлива в атмосферу из топливного бака автомобиля при относительной простоте и технологичности конструкции.
Недостатками системы являются:
1. Низкая эффективность конденсации паров.
2. Отсутствие в топливном баке устройства для слива воды.
3. Большое количество испарений при заправке автомобиля на АЗС.
Также известен «Топливный бак автомобиля с установкой улавливания паров и устройством для слива воды» [Матвеев Ю.А. и др. Патент на полезную модель №158487 от 20.01.2016 г.].
Техническое устройство содержит топливный бак, с горловиной крышкой и нижней пробкой. Внутри топливного бака расположены топливозаборник с фильтром, электрический датчик уровня топлива со штангой и поплавком. От топливного бака отходят топливопроводы подачи топлива и слива топлива. Топливопровод слива топлива оборудован обратным клапаном. С помощью паропровода и трубопровода топливный бак связан с улавливающей емкостью паров бензина. При этом паропровод предназначен для подачи паров в сепаратор, а трубопровод для слива бензина в топливный бак. Для подачи паров бензина в улавливающую емкость и слива бензина имеются клапан, рассчитанный на определенное давление.
От улавливающей емкости отводится вентиляционный трубопровод, на котором оборудован электромагнитный клапан отвода паров из емкости во впускной трубопровод двигателя.
Улавливающая емкость выполнена двустенной с заполнением межстенного пространства углекислым газом.
Для слива воды в топливный бак дополнительно монтируется трубопровод слива воды с вентилем. С целью герметизации при заправке на автозаправочной станции горловина топливного бака оборудована уплотнительным кольцом из бензостойкой резины.
Полезная модель работает следующим образом.
При заправке автомобиля на АЗС откручивается крышка топливного бака. После этого раздаточный пистолет герметично вставляется в горловину. Герметизацию обеспечивает уплотнительное кольцо. При заправке нефтепродукт, увеличиваясь в объеме, повышает давление паров бензина. При достижении давления 0,5 кПа срабатывает выпускной клапан и пары бензина по паропроводу поступают в емкость. При этом часть паров конденсируются в улавливающей емкости, а часть остается в газообразном состоянии. Образование конденсата происходит при контактировании паров топлива, имеющих более высокую температуру, со стенками емкости, с последующим стеканием жидкости обратно в топливный бак по трубопроводу.
Охлаждение в улавливающей емкости по сравнению с паровым пространством топливного бака происходит за счет того, что емкость оборудована межстенным пространством, заполненным углекислым газом, который имеет низкий коэффициент теплопроводности. Оставшаяся часть паров топлива, не перешедшая в жидкое состояние, остается в улавливающей емкости. При достижении определенного давления паров в емкости открывается электромагнитный клапан вентиляционного трубопровода. В результате пары нефтепродукта при работающем двигателе отводятся во впускной трубопровод двигателя и затем сжигаются в его цилиндрах.
В случае температуры окружающей среды более 30°С в топливном баке происходят «малые» дыхания бензинов, которые связаны с изменением температур. При этом давление паров бензина в баке возрастает и при достижении давления 0,5 кПа срабатывает выпускной клапан. При этом пары нефтепродукта по паропроводу поступают в емкость. За счет снижения температуры значительная часть паров конденсируются, а остальная часть превратится в жидкость за счет уменьшения температуры в вечернее и ночное время. Средняя температура летом, например, в среднем Поволжье не превышает 20°С, поэтому испарения от «малых» дыханий в полном объеме конденсируются в жидкость (бензин).
Бензин из улавливающей емкости стекает в топливный бак через обратный клапан по трубопроводу.
Недостатками топливного бака являются:
1. Сложность и недостаточная эффективность бака.
2. Низкая защищенность и пожарная безопасность.
3. Большое количество испарений от «малых» дыханий.
Наиболее близким к указанной проблеме является «Топливный бак автомобиля с емкостью для улавливания паров бензинов» [Матвеев Ю.А. и др. Патент на полезную модель №183284 от 17.09.2018 г.].
Полезная модель содержит топливный бак, с горловиной крышкой и нижней пробкой. Внутри топливного бака расположены топливозаборник с фильтром, электрический датчик уровня топлива со штангой и поплавком. От топливного бака отходят топливопроводы подачи топлива и слива топлива. Топливопровод слива топлива оборудован обратным клапаном. С помощью паропровода топливный бак связан с улавливающей емкостью паров бензина. Для подачи паров бензина в улавливающую емкость имеются клапан, рассчитанный на определенное давление.
От улавливающей емкости отводится вентиляционный трубопровод на котором, оборудован клапан отвода паров из емкости во впускной трубопровод двигателя. Также улавливающая емкость оснащена сливным краном для отвода конденсата и бензина в жидкой фазе.
С целью герметизации при заправке на автозаправочной станции горловина топливного бака оборудована уплотнительным кольцом из бензостойкой резины. Сам топливный бак выполнен двустенным, при этом межстенное пространство заполнено углекислым газом.
Полезная модель работает следующим образом.
При заправке автомобиля на АЗС откручивается крышка топливного бака. После этого раздаточный пистолет герметично вставляется в горловину. Герметизацию обеспечивает уплотнительное кольцо. При заправке нефтепродукт, увеличиваясь в объеме, повышает давление паров бензина. При достижении давления 0,5 кПа срабатывает выпускной клапан, и пары бензина по паропроводу поступают в емкость. При этом пары остаются в газообразном состоянии. Оставшаяся часть паров топлива остается в улавливающей емкости. При достижении определенного давления паров в емкости открывается клапан вентиляционного трубопровода. В результате пары нефтепродукта при работающем двигателе отводятся во впускной трубопровод двигателя и затем сжигаются в его цилиндрах.
Недостатками топливного бака автомобиля с емкостью для улавливания паров бензинов являются:
1. Низкая защищенность улавливающей емкости
2. Низкая пожарная опасность и взрывоопасность улавливающей емкости.
3. Отсутствие возможности выхода паров из улавливающей емкости в топливный бак при возрастании давления.
Предполагаемая полезная модель позволяет решить задачу повышения эффективности улавливания паров горючего из топливных баков, уменьшить испарения при хранении нефтепродукта и заправке автомобиля и снизить пожарную опасность. Также в топливном баке и улавливающей емкости предусмотрена защита от утечек и ударов.
Решение указанной задачи достигается тем, что улавливающая емкость выполнена в двустенном исполнении с возможностью как приема паров, так и их отвода в топливный бак и соединена через два паропровода, с обратными клапанами с топливным баком, а также тем, что межстенное пространство улавливающей емкости заполнено углекислым газом.
Данные признаки являются существенными для решения задачи полезной модели, так как повышается эффективность улавливания паров нефтепродуктов, снижается пожарная опасность и улучшается защищенность бака и емкости от утечек и ударов.
Сущность полезной модели пояснена чертежами (фиг.1, фиг.2) на которых изображены разрез топливного бака с паропроводом, топливопроводами и улавливающей емкостью, а также отдельный разрез улавливающей емкости.
Предполагаемая полезная модель содержит топливный бак 1, с горловиной 2 крышкой 3 и нижней пробкой 4. Внутри топливного бака расположены топливозаборник 5 с фильтром 6, электрический датчик уровня топлива 7 со штангой 8 и поплавком 9. От топливного бака отходят топливопроводы подачи топлива 10 и слива топлива 11. Топливопровод слива топлива оборудован обратным клапаном 12. С помощью паропровода 13 топливный бак связан с улавливающей емкостью паров бензина 14. Для подачи паров бензина в улавливающую емкость имеется обратный клапан 15, рассчитанный на определенное давление. Обратный клапан открывается только в одном направлении из бака в улавливающую емкость.
От улавливающей емкости отводится вентиляционный трубопровод 16 на котором, оборудован клапан 17 отвода паров из емкости 14 во впускной трубопровод двигателя.
Также улавливающая емкость дополнительно оснащена еще одним паропроводом 18 с обратным клапаном 15. Паропровод 18 предназначен для отвода паров из емкости 14 в топливный бак 1. При этом обратный клапан 15 открывается при повышении давления в емкости 14 до определенного значения только в одном направлении (из емкости в бак). Повышение давления паров в улавливающей емкости 14 возможно в жаркую погоду, когда автомобиль длительное время не эксплуатируется и не происходит отвода паров во впускной трубопровод двигателя.
При этом емкость 14 оборудуется краном 19 для слива конденсата и бензина в жидкой фазе.
С целью герметизации при заправке на автозаправочной станции горловина топливного бака оборудована уплотнительным кольцом 20 из бензостойкой резины. Сам топливный бак 1, как и улавливающая емкость 14 выполнены двустенными, при этом межстенное пространство и бака и емкости заполнено углекислым газом 21.
Полезная модель работает следующим образом.
При заправке автомобиля на АЗС откручивается крышка 3 топливного бака 1. После этого раздаточный пистолет герметично вставляется в горловину 2. Герметизацию обеспечивает уплотнительное кольцо 20. При заправке нефтепродукт 22, увеличиваясь в объеме, повышает давление паров бензина 23. При достижении давления 0,5 кПа срабатывает обратный клапан 15 и пары бензина по паропроводу 13 поступают в емкость 14. При этом пары 23 остаются в емкости в газообразном состоянии. При достижении определенного давления паров в емкости 14 открывается клапан 17 вентиляционного трубопровода 16. В результате пары нефтепродукта при работающем двигателе отводятся во впускной трубопровод двигателя и затем сжигаются в его цилиндрах.
Охлаждение в топливном баке по сравнению с окружающим воздухом происходит за счет того, что бак 1 оборудован межстенным пространством, заполненным углекислым газом 21, который имеет низкий коэффициент теплопроводности.
При повышении давления паров бензина 23 в улавливающей емкости 14, когда двигатель не работает, пары по паропроводу 18 при срабатывании обратного клапана 15 отводятся в топливный бак 1. Емкость 14 оборудована межстенным пространством, заполненным углекислым газом. Это позволяет уменьшить температурные воздействия на пары бензина и свести к минимуму повышение давления паров в улавливающей емкости от атмосферных воздействий.
В случае температуры окружающей среды более 30°С в топливном баке «малые» дыхания бензинов, которые связаны с изменением температур, практически происходить не будут. Это объясняется тем, что средняя температура летом, например, в среднем Поволжье не превышает 20°С, а температура начала кипения бензинов составляет 30-35°С.
Полезная модель позволяет эффективно предотвратить выбросы паров бензина в атмосферу из топливного бака автомобиля от «больших» дыханий и повысить экономичность автомобиля при относительной простоте и технологичности конструкции. При этом конструкции топливного бака и улавливающей емкости позволяет повысить их защищенность от ударов и предотвратить утечки горючего и паров бензина.