УСТРОЙСТВО ПОДАЧИ СЖИЖЕННОГО ГАЗА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Техническое решение относится к области машиностроения, а именно к созданию устройств питания двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано при создании систем питания ДВС, применяемых в транспортных средствах, теплоэлектростанциях, а также в качестве движителей генераторов электрического тока.
Известна (SU, авторское свидетельство 1815394, 1993) двухтопливная система питания для автомобильного двигателя внутреннего сгорания, содержащая один газовый баллон с вентилем и заправочным устройством, вентиляционное устройство, газовый трубопровод с установленными на нем газовым электромагнитным клапаном и газовым редуктором, связанный с газовым баллоном и двигателем, бензобак, бензопровод с установленным на последнем бензиновым электромагнитным клапаном, связанный с бензобаком и двигателем, переключатель вида топлива, подключенный через электрическую цепь к газовому и бензиновому клапанам.
Недостатком известной системы питания является сложность конструктивного выполнения и неоптимальное дозирование газа и бензина на различных режимах работы.
Известна (RU, патент 2101542, 1998) двухтопливная система питания двигателя внутреннего сгорания, содержащая два контура подачи жидкого и газообразного топлива, включающих источник газа - баллоны с заправочным устройством, сообщенным через расходный вентиль и магистраль высокого давления с редуктором высокого давления, дозатор газа и электромагнитный газовый клапан с фильтром, с двухступенчатым редуктором низкого давления, сообщенным с карбюратором-смесителем, бензиновый бак, сообщенный через бензопровод, бензиновый насос, электромагнитный бензиновый клапан с фильтром, с карбюратором-смесителем, при этом двухступенчатый газовый редуктор низкого давления снабжен управляющей пневматической камерой и газосмесительной проставкой, дозатор газа снабжен мембраной с жестким центром, размещенной с образованием управляющей бензиновой камеры и кинематически связанной через шток с запорным клапаном и сообщенной с поплавковой камерой карбюратора-смесителя, входной полостью с магистральным и бинарным жиклерами, выходной полостью с центральным и обводным жиклерами, сообщенную с главным воздушным каналом, и газовым экономайзером, снабженным мембраной с жестким центром, размещенной с образованием управляющей газовой камеры и кинематически связанной через шток с запорным элементом и нагруженной с двух ее сторон пружинами.
Недостатком известной системы является сложность ее конструктивного выполнения, а также недостаточная надежность в эксплуатации.
Известен (SU, авторское свидетельство 771629, 1980) двухступенчатый регулятор давления газа, содержащий корпус с входной и выходной полостями, два последовательно соединенных соосно регулирующих органа, два чувствительных элемента, первая полость каждого из которых соединена с выходом соответствующего регулирующего органа, а вторые полости - с управляющей полостью, регулировочную пружину с винтом, а также подпружиненный клапан и поршень, установленный между регулировочной пружиной и второй полостью второго чувствительного элемента.
Однако известный двухступенчатый регулятор давления газа обладает рядом существенных недостатков. Эти недостатки заключаются в том, что данный регулятор не в состоянии обеспечить автоматическую подачу необходимого количества газа на различных режимах работы двигателя; кроме того, известный регулятор не способен снижать давление до близкого к атмосферному независимо от давления газа в баллоне; и, наконец, обеспечивать прекращение подачи газа при кратковременной остановке двигателя, т.е. не может работать в качестве автоматического запорного устройства, отключающего двигатель от газовой магистрали во время его остановки.
Известен (SU, патент 1702875, 1991) двухступенчатый редуктор-испаритель системы питания двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус, имеющий входную полость, сообщенную с источником сжиженного газа, полость высокого давления и выходную полость, сообщенную с впускным трактом двигателя, клапан высокого давления в виде подпружиненной мембраны, установленной в полости высокого давления с образованием камеры противодавления и рабочей камеры, и запорного элемента, кинематически связанного с мембраной с возможностью сообщения входной полости с полостью высокого давления, клапан низкого давления в виде мембраны, установленной в корпусе с образованием разгрузочной камеры, сообщенной с атмосферой, и запорного элемента, кинематически связанного с мембраной с возможностью сообщения рабочей камеры клапана высокого давления с выходной полостью, корректор в виде мембраны, установленной в корпусе с образованием разгрузочной и рабочей полостей и связанной с мембраной клапана низкого давления, систему пуска с пусковым клапаном, размещенным в корпусе, и выполненный в корпусе канал подвода теплоносителя для испарения сжиженного газа.
Однако известному устройству присущ ряд недостатков: недостаточная точность дозирования подачи газа, обусловленная конструктивными особенностями запорных элементов клапанов; недостаточный нагрев и испарение сжиженного газа, что обусловлено конструктивными особенностями известного редуктора-испарителя; конструктивная компоновка основных узлов редуктора-испарителя выполнена неэффективной, что затрудняет техническое обслуживание известного редуктора-испарителя.
Наиболее близким аналогом разработанного устройства можно признать (RU, патент 2162540, 2001) устройство питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газом, содержащее газовый баллон, подводящую газовую магистраль высокого давления, понижающий редуктор, электромагнитные клапана, коллектор, датчик оборотов коленчатого вала, датчик разрежения и электронный блок, согласно изобретению, редуктор разделен перегородкой с калиброванным отверстием на две камеры, устройство дополнительно содержит газовый клапан, установленный после газового баллона, средство подогрева газа, установленное перед понижающим редуктором, мультиклапан, установленный в газовом баллоне, датчики давления в первой и второй камерах указанного редуктора, датчик температуры газа в средстве подогрева газа, резистивный датчик, датчик  - зонда, при этом датчики, электромагнитные клапаны, средство подогрева газа, газовый клапан подключены к электронному блоку, на входе в первую камеру указанного редуктора установлен электромагнитный клапан, а на выходе второй камеры указанного редуктора, выполняющей функцию ресивера параллельно установлены электромагнитный клапан подачи газа на холостом ходу и электромагнитный клапан рабочего хода, выходы обоих указанных электромагнитных клапанов соединены с коллектором, при этом электромагнитный блок выполнен с возможностью определения расхода газа по показаниям датчиков давления в первой и второй камерах редуктора, а также дополнительной подачи газа через электромагнитный клапан холостого хода при необходимости резкого увеличения числа оборотов коленчатого вала двигателя и оптимизации состава топливной смеси с учетом данных, полученных от датчиков, и заложенной в электронный блок программы.
Недостатком известного устройство следует признать недостаточный диапазон объемов подач топлива в двигатель, инерционность и сложность конструкции, приводящей к недостаточной надежности устройства.
Техническая задача, решаемая с использованием разработанного устройства, состоит в усовершенствовании оборудования подачи сжиженного газа в двигатель внутреннего сгорания.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного способа, состоит в уменьшение мощности катушки клапана подачи сжиженного газа, регулирующего давление испаренного газа, подаваемого на клапан (клапаны), подающий(ие) топливо в двигатель при одновременном расширении диапазона объемов единичных подач топлива в двигатель путем расширения изменения давления испаренного газа перед клапаном (клапанами) подачи газа в двигатель.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанное устройство подачи сжиженного газа в двигатель внутреннего сгорания. Разработанное устройство содержит двухконтурный теплообменник, один из контуров которого содержит клапан подачи сжиженного газа, испаритель сжиженного газа, датчик давления сжатого газа и клапан подачи сжатого газа в двигатель внутреннего сгорания, а другой контур предназначен для прохождения теплоносителя, причем датчик давления сжатого газа подключен к входу электронного блока, выполненного с возможностью по итогам сравнения измеренного датчиком давления сжатого газа в контуре теплообменника с заранее заданным значением, вырабатывать команду на открытие/закрытие клапанов подачи сжиженного газа и сжатого газа.
В некоторых вариантах реализации устройство может дополнительно содержать клапан, установленный на магистрали подвода сжиженного газа к контуру теплоносителя.
Обычно дополнительно установленный клапан подключен к управляющему входу электронного блока.
Второй контур теплообменника может быть подключен к системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания или к выходу продуктов горения из двигателя внутреннего сгорания. Также для нагрева указанного второго контура может быть использован электрический ток, что предпочтительно использовать на первой стадии (запуске) двигателя внутреннего сгорания.
При реализации устройства предпочтительно используют электромагнитные клапана.
В качестве электронного блока может быть использован микроконтроллер с «зашитой» программой.
При реализации разработанного устройства нагревают теплоноситель, проходящий по каналу, расположенному вблизи канала прохождения подаваемого в двигатель сжиженного газа, через теплообменник, выполняющий функцию испарителя сжиженного газа, подают нагретый жидкий теплоноситель в канал прохождения теплоносителя с нагревом корпуса теплообменника, в электронном блоке генерируют, предпочтительно, широтно-импульсный электрический сигнал на открытие клапана подачи сжиженного газа в указанный канал прохождения подаваемого в двигатель газа, а также в электронном блоке генерируют, предпочтительно, широтно-импульсный сигнал на открытие клапана подачи сжатого газа в двигатель, измеряют уровень давления сжатого газа в указанном канале прохождения с фиксацией измеренной величины электронным блоком, проводят сравнение измеренного значения с заранее заданным предельно допустимым значением, причем при превышении измеренного значения заранее заданной величины электронный блок вырабатывает электрический сигнал на закрывание клапана подачи сжиженного газа, при этом длительность выработанного сигнала зависит от разности измеренного и заданного значений. Предпочтительно используют электронный блок, выполненный с возможностью приема внешнего управляющего сигнала. В частности, при необходимости увеличения энергии, вырабатываемой двигателем, в электронный блок поступает внешний сигнал о необходимости увеличения подачи топлива - сжатого газа - в двигатель. Соответственно, при необходимости уменьшения энергии, вырабатываемой двигателем, в электронный блок поступает внешний сигнал о необходимости уменьшения подачи топлива - сжатого газа - в двигатель.
При реализации разработанного способа предварительно за счет внешнего источника энергии нагревают жидкий теплоноситель, проходящий по каналу, расположенному вблизи канала прохождения подаваемого в двигатель газа, через теплообменник. Нагревание может быть осуществлено как за счет электрической энергии, поступающей на нагревательный элемент от аккумулятора, так и за счет тепловой энергии, поступающей, предпочтительно, от системы охлаждения двигателя или за счет тепловой энергии выхлопных газов. Возможен комбинированный вариант нагрева теплоносителя, когда на этапе запуска двигателя используют подогрев за счет электрической энергии, а при работе двигателя используют тепловую энергию, генерируемую в процессе работы двигателя. Нагретый жидкий теплоноситель подают в канал прохождения теплоносителя с нагревом корпуса теплообменника. В одном из вариантов реализации разработанного способа в корпусе теплообменника устанавливают термодатчик, подключенный по проводной связи или по радиоканалу к электронному блоку. При достижении сигнала указанного термодатчика заданного значения, характеризующего достижение корпусом теплообменника температуры, обеспечивающей испарение сжиженного газа в электронном блоке генерируют широтно-импульсный электрический сигнал на открытие клапана подачи сжиженного газа в указанный канал прохождения подаваемого в двигатель газа. Указанный сигнал может быть генерирован и через определенный промежуток времени, заложенный в программное обеспечение электронного блока. Также указанный сигнал может быть генерирован и по команде, переданной в электронный блок лицом, использующим двигатель внутреннего сгорания. В электронном блоке генерируют сигнал на открытие клапана подачи сжиженного газа в канал подогрева и испарения сжиженного газа. В указанном канале происходит за счет тепловой энергии, накопленной в корпусе теплообменника, испарение сжиженного газа с переводом в состояние «сжатый газ». Характеристики полученного сжатого газа, в том числе, и давление, обусловлено соотношением объемов поданного сжиженного газа и объема канала подогрева и испарения. По достижению давления сжатого газа предварительно заданного значения электронный блок вырабатывает широтно-импульсный сигнал на открытие клапана подачи сжатого газа в двигатель. Широтно-импульсный сигнал в данном случае необходим для синхронизации момента подачи порции газа в двигатель с фазами газораспределения и для регулирования объема дозы на один рабочий такт двигателя в зависимости от нагрузки. В процессе подачи сжатого газа в двигатель измеряют уровень давления сжатого газа в указанном канале нагрева и испарения сжиженного газа с фиксацией измеренной величины электронным блоком, проводят сравнение измеренного значения с заранее заданным предельно допустимым значением, и если значение давления меньше заданного, то на клапан подачи сжиженного газа подают широтно-импульсный сигнал на открытие с длительностью, пропорциональной разнице между измеренным и заданным значением. При превышении измеренного значения заранее заданной величины электронный блок закрывает клапан подачи сжиженного газа. Повторение цикла: подача сжиженного газа - его испарение - подача сжатого газа в двигатель - обеспечивает работу двигателя внутреннего сгорания.
Расположение управляющего клапана перед каналом подогрева и испарения сжиженного газа обеспечивает возможность использования клапана прохождения сжатого газа с меньшим проходным сечением, что позволяет снизить мощность катушки клапана и одновременно повысить точность дозирования газа.
На чертеже приведена схема разработанного устройства. На чертеже использованы следующие обозначения: теплообменник 1, канал 2 прохождения жидкого теплоносителя, канал 3 подогрева и испарения сжиженного газа, клапан 4 подачи сжиженного газа, датчик 5 давления газа, клапан 6 подачи сжатого газа в двигатель, электронный блок 7, клапан 8 на магистрали сжиженного газа.
В предпочтительном варианте реализации разработанное устройство реализуют следующим образом.
В канал 2 подают горячий теплоноситель для обогрева корпуса теплообменника. После нагрева корпуса теплообменника 1 до необходимой температуры электронный блок 7 генерирует сигнал на открытие клапана 4 и подачу сжиженного газа в канал 3 подогрева и испарения сжиженного газа. Поступивший в канал 3 сжиженный газ нагревается и испаряется за счет тепловой энергии, адсорбированной корпусом теплообменника 1. Сжатый газ через клапан 6, открытый по сигналу, выработанному электронным блоком 7 поступает в двигатель внутреннего сгорания. В канале 3 датчиком 5 производят измерение давления сжатого газа. Измеренный сигнал, характеризующий текущую величину давления сжатого газа, поступает в электронный блок 7. Если измеренное давление превышает заданное, то электронный блок 7 вырабатывает сигнал на закрытие клапана 4, при этом давление в канале 3 снижается до заданной величины. Затем указанный клапан открывается по сигналу, генерированному электронным блоком 7 и давление начинает увеличиваться.
Использование разработанного устройства позволяет значительно повысить стабильность поддержания необходимого давления испаренного газа за счет использования обратной связи по датчику давления, а также снизить требования по точности подачи к клапану сжатого газа, так как он может работать в более узком диапазоне изменения длительности управляющего широтно-импульсного сигнала.