СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ СЖИЖЕННЫМ ГАЗОВЫМ ТОПЛИВОМ
ICE LIQUEFIED GAS FEED SYSTEM

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в устройствах для подачи газового сжиженного топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), в производстве двигателей для транспортных средств (ТС).
Техническое решение относится к системам питания двигателей внутреннего сгорания, а именно к системам питания двигателей на альтернативных топливах.
Из уровня техники известна система подачи сжиженного газа в двигатель внутреннего сгорания из баллона. Система содержит отдельные трубопроводы, выходящие из баллона для жидкой и паровой фаз, и третий трубопровод для газификатора дополнительного наддува газа в баллон для повышения давления (А.с. СССР №1281716, МПК F02М 21/02, опубл. 07.01.1987).
Недостатком устройства является ненадежность использования данной конструкции для подачи топлива в ДВС при низких отрицательных температурах ввиду отсутствия устройства контроля температуры в системе газификатора. В результате давление в баллоне и соответственно давление жидкой фазы будет неконтролируемо меняться, а наличие трех патрубков усложняет изготовление баллона и приводит к некоторому ослаблению его прочности, а также недостатком является невозможность использования данной конструкции для подачи и дозирования жидкой фазы топлива непосредственно во впускной коллектор ДВС.
Известна также система подачи газового топлива из резервуара, в котором оно находится в сжиженном состоянии, во впускной коллектор двигателя (А.с. СССР №1333811, МПК F02M 21/02, опубл. 30.08.1987).
Давление газа, подаваемого из резервуара, повышают с помощью топливного насоса, подающего газовое топливо к форсунке, установленной во впускном коллекторе двигателя, через испаритель. Необходимое давление перед форсункой поддерживается за счет предварительной регулировки производительности топливного насоса и сброса излишков топлива по сливному трубопроводу в резервуар для его хранения.
Недостаток подобной конструкции заключается в том, что система не обеспечивает подачу газового топлива к форсунке в жидкой фазе а, только в газообразном состоянии. В результате снижается наполнение цилиндров и, как следствие, падает мощность двигателя, кроме того, отсутствует автоматическое управление производительностью топливного насоса при изменении показателей давления, температуры и рабочих режимов двигателя.
Наиболее близко по технической сущности к предлагаемому изобретению относится система впрыска газового топлива в двигатель внутреннего сгорания (патент США №5755211, МПК F02М 21/02, опубл. 26.05.1998), включающая в себя резервуар для хранения, сжиженного газового топлива, из которого топливо под давлением посредством электрического топливного насоса, пройдя через топливный фильтр, подается к электроуправляемым форсункам.
Перед форсунками расположен топливный аккумулятор, в котором поддерживается постоянное давление для упрощения алгоритма управления форсунками и исключения влияния изменения давления на цикловой расход топлива. Постоянное давление в топливном аккумуляторе поддерживается посредством регулятора давления, обеспечивающего слив излишков топлива по сливному трубопроводу через обратный клапан в резервуар для его хранения. При этом для исключения утечек газового топлива сливной трубопровод на входе в резервуар оборудован обратным клапаном, а подающий трубопровод электромагнитным клапаном, закрывающимся при отключении от него электропитания. Подобная система питания обеспечивает подачу во впускной трубопровод двигателя внутреннего сгорания газового топлива в сжиженной фазе, что положительно сказывается на мощностной характеристике двигателя.
Однако в известной системе не обеспечивается автоматическое управление производительностью топливного насоса и невозможность его временного исключения из топливоподающей цепи. Так, например, при температуре окружающей среды выше десяти градусов Цельсия давление насыщенных паров смеси пропана и бутана составляет более 0,4 МПа и соответственно такое же давление в топливном резервуаре. Что более чем достаточно для нормальной работы ДВС и без насоса. Тогда в этом случае топливный насос будет оказывать мешающее гидравлическое сопротивление потоку топлива.
Также в системе не обеспечивается эффективное перемешивание компонентов топлива во время топливоподачи, например в случае использования смеси пропана и бутана, что может привести к неравномерности, жесткости в работе ДВС и, как следствие, снижение его экономичности.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности, гибкости и экономичности работы системы питания ДВС газовым топливом, впрыскиваемым во впускной трубопровод в сжиженной фазе.
Сущность изобретения состоит в том, что система содержит резервуар для хранения, сжиженного газового топлива, оборудованный электрическим топливным насосом, снабженным основным рабочим колесом, подающий и сливной трубопроводы, топливный аккумулятор с регулятором давления, привод насоса и электронный блок управления для его включения и отключения и электроуправляемые форсунки.
Отличие изобретения состоит в том, что: топливный насос снабжен дополнительным рабочим колесом, размещенным в верхней полости топливного насоса, обходным (байпасным) каналом, установленным вдоль боковой поверхности корпуса насоса и переключателем перемены программы управления топливным насосом в зависимости от сезона эксплуатации ТС, при этом дополнительное рабочее колесо, осуществляющее перемешивание компонентов топлива перед топливоподачей на всех режимах работы ДВС, выполнено в виде плоской четырехгранной пластины, к граням которой прикреплены четыре лопасти, и закреплено на общем валу с основным рабочим колесом и приводом.
При этом вход обходного (байпасного) канала расположен под основным рабочим колесом, а выход, соответственно, под дополнительным рабочим колесом, причем для изменения проходного сечения обходного (байпасного) канала он снабжен клапаном управления, перемещаемым посредством шагового электродвигателя (ЭД).
Наличие обходного (байпасного) канала обеспечивает исключение топливного насоса при повышенных температурах окружающей среды и высоком давлении в топливном резервуаре, что повышает экономичность ТС и продлевает ресурс топливного насоса.
Еще одно отличие состоит в том, что лопасти дополнительного рабочего колеса выполнены в виде сплющенного пустотелого усеченного конуса, при этом в узкой части конуса выполнено небольшое отверстие, от основания которого одна из стенок конуса расширяется к периферии в соотношении 1/3 по отношению к другой стенке.
Также отличием является и то, что шаговый электродвигатель (ЭД) байпасного канала электрически связан с выходом электронного блока управления (ЭБУ), работающего по сигналам датчиков температуры окружающей среды и давления в топливном резервуаре.
Еще одно отличие состоит в том, что привод топливного насоса электрически связан с электронным блоком управления и приводится в движение по сигналам датчиков: температуры окружающей среды, температуры и давления в топливном резервуаре, давления во впускном коллекторе ДВС, при этом привод топливного насоса представляет собой электрический бесколлекторный двигатель, например вентильный реактивный электродвигатель с микропроцессорным управлением, позволяющим изменять частоту вращения рабочих колес насоса в широком диапазоне и соответственно его производительность по сигналам датчиков в зависимости от рабочих условий, а также повысить его надежность ввиду отсутствия коллектора, щеток, щеткодержателей и пр.
Также отличием является и то, что переключатель перемены программы управления топливным насосом установлен в салоне ТС и электрически связан с входом ЭБУ.
Технический результат заключается в повышении надежности работы системы, в значительном увеличении диапазона и точности подачи топлива, а также нормирования давления в рабочем диапазоне температур и режимов работы ДВС, особенно для сжиженного нефтяного газа.
Кроме того, технический результат обеспечивается за счет особого профиля лопастей дополнительного рабочего колеса и привода топливного насоса безколлекторным вентильным реактивным двигателем, управляемым микроконтроллером.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг.1 - функциональная схема системы питания двигателя сжиженным газовым топливом;
фиг.2 - конструкция топливного насоса;
фиг.3 - дополнительное рабочее колесо топливного насоса.
Система питания двигателя сжиженным газовым топливом состоит из топливного резервуара 1 с размещенным в нем топливным насосом 2, электрически связанным с выходом электронного блока управления (ЭБУ) 9, мультиклапана, заправочного устройства, подающего и сливного трубопроводов, топливного аккумулятора с регулятором давления, электромагнитных форсунок и аккумулятора (на фиг.1 не показаны), группы датчиков: температуры окружающей среды 3, температуры 4 и давления 6 в топливном резервуаре 1, давления во впускном коллекторе ДВС 5, и переключателя 7 перемены программы управления типа топлива (зимнее или летнее, отличающееся соотношением, например, пропана и гептана), установленного в салоне ТС и также электрически связанных с входом ЭБУ 9, замка зажигания 8, связанного с аккумулятором и также с входом электронного блока управления (ЭБУ) 9.
Топливный насос 2 системы включает: электрический бесколлекторный двигатель 10, на общем валу 13 которого закреплены основное рабочее колесо 11, размещенное в нижней полости топливного насоса 2, и дополнительное рабочее колесо 12, размещенное в верхней полости топливного насоса 2, входной трубопровод 14 для подачи сжиженного топлива в насос 2 и выходной трубопровод 15 для выхода достаточно перемешанного сжиженного топлива из насоса 2, вдоль боковой поверхности корпуса насоса 2 установлен обходной (байпасный канал) 16, который для изменения его проходного сечения дополнительно снабжен клапаном управления 17, перемещаемым посредством шагового электродвигателя (ЭД) 18, причем вход 19 обходного (байпасного) канала 16 расположен под основным рабочим колесом 11, а выход 20 соответственно под дополнительным рабочим колесом 12.
Дополнительное рабочее колесо 12 состоит из четырехгранной пластины 21, к граням которой прикреплены четыре конусообразные лопасти 22, причем в узкой части конуса выполнено небольшое отверстие 23, от основания которого одна из стенок конуса расширяется к периферии в соотношении 1/3 по отношению к другой стенке.
Предлагаемая система работает следующим образом. При включении замка зажигания 8 (фиг.1) ЭБУ 9 определяет положение (зима или лето) переключателя 7, а также уровни сигналов поступающих: от датчика температуры окружающей среды 3, датчика температуры в топливном резервуаре 4, датчика давления во впускном коллекторе 5 и датчика давления в топливном резервуаре 6, и после этого запускает соответствующую программу управления бесколлекторным электродвигателем 10 привода топливного насоса 2 и шаговым электродвигателем 18 клапана управления 20 обходным (байпасным) каналом 16 (фиг.2).
При температуре окружающей среды ниже нуля градусов Цельсия шаговый двигатель 18 по сигналу ЭБУ 9 полностью закрывает клапан управления 17 обходным (байпасным) каналом 16. Сжиженное газовое топливо через вход 14 топливного насоса 2 поступает на основное рабочее колесо 11. Согласно информации с датчиков 3, 4, 5, 6, ЭБУ 9 подает электрические импульсы на бесколлекторный электродвигатель 10, который вращает основное рабочее колесо 11 с соответствующей скоростью и подает сжиженное топливо в верхнюю полость топливного насоса 2 под дополнительное рабочее колесо 12, которое вращается одновременно вместе с основным рабочим колесом 11, поскольку оно расположено на общем валу 13 бесколлекторного электродвигателя 10. Вращаясь, дополнительное рабочее колесо 12 захватывает сжиженное газовое топливо своими конусными, особой формы, лопастями 22 (фиг.3), перемешивает компоненты топлива, и частично пропуская его через отверстия 23 в лопастях 22, образуя закручивающиеся струи, которые повышают эффективность перемешивания. Затем топливо поступает в верхнюю полость топливного насоса 2 и выходит через выход трубопровода 15 и далее в систему питания ДВС.
При температуре окружающей среды несколько выше нуля градусов Цельсия и давлении в топливном резервуаре выше 0,4 мПа, шаговый двигатель 18 по сигналу ЭБУ 9 полностью открывает клапан управления 17 обходным (байпасным) каналом 16. Топливо само под некоторым собственным повышенным при этих температурах давлением большей своей частью проходит через обходной (байпасный) канал 16, так как испытывает меньшее гидравлическое сопротивление, чем сопротивление прохода через основное рабочее колесо 11 и затем через выход 20 обходного (байпасного) канала 16 выходит в полость под дополнительное рабочее колесо 12. Под действием потока топлива, который обтекает лопасти 22 дополнительного рабочего колеса 12, оно начинает вращаться с некоторой скоростью и также осуществляет процесс перемешивания компонентов сжиженного газового топлива. Бесколлекторный электродвигатель 10 при этом отключен по сигналу ЭБУ 9.
При промежуточных значениях температур и значении давления, меньшем 0,4 мПа, ЭБУ 9 подает на шаговый двигатель 18 клапана управления 17 обходным (байпасным) каналом 16 соответствующие сигналы. Клапан управления 17 с помощью шагового двигателя 18 устанавливается в некоторые промежуточные положения, осуществляя, таким образом, управление потоком топлива путем изменения проходного сечения на выходе 20 обходного (байпасного) канала 16. Также в этом случае ЭБУ 9 подает соответствующие сигналы и на бесколлекторный электродвигатель 10, который вращает с необходимой скоростью основное 11 и дополнительное 12 рабочее колесо.
Управление потоком топлива осуществляется, в таких режимах одновременно скоростью вращения бесколлекторного электродвигателя 10 и перемещением клапана управления 17 обходным (байпасным) каналом 16, что позволяет более точно адаптировать топливоподачу к изменяющимся условиям работы ДВС и соответственно ТС.
В зависимости от сезона эксплуатации ТС, применяемое топливо имеет большую или меньшую вязкость и несколько отличающуюся зависимость давления в топливном резервуаре от температуры окружающей среды.
При переводе переключателя 7 перемены программы управления по типу топлива (зимнее или летнее) ЭБУ 9 подает соответствующий откорректированный сигнал на шаговый электродвигатель (ЭД) 18 клапана управления 17 обходным (байпасным) каналом 16, который изменяет его проходное сечение и на бесколлекторный двигатель 10, который изменяет частоту вращения его ротора и соответственно производительность насоса 2.
Таким образом, использование предложенной системы подачи сжиженного газового топлива в ДВС позволяет повысить экономичность, улучшить пусковые и расходные характеристики ТС и улучшить его экологические параметры.