Устройство для получения топлива в газовой фазе

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к системам подачи топлива в бензиновые двухтактные или четырехтактные двигатели внутреннего сгорания. Устройство также может быть использовано на дизельных двигателях.
Уровень техники
Известны способы питания бензиновых двигателей с применением карбюратора. Достоинством карбюратора является простота конструкции и технологии изготовления. Карбюраторная схема питания бензинового двигателя внутреннего сгорания имеет и ряд недостатков:
- низкая экономичность;
- более высокая концентрация вредных веществ в выхлопных газах;
- высокие требования к качеству топлива;
- низкие динамические качества двигателя при переменных режимах работы;
- трудный запуск в холодное время;
- нестабильная работа двигателя в жару;
- зависимость работы системы питания от положения двигателя и автомобиля.
Существенным недостатком карбюраторных двигателей является относительно высокое сопротивление в диффузоре карбюратора, которое препятствует быстрому заполнению цилиндра горючей смесью. Избавиться от этого недостатка в значительной степени позволяют системы питания двигателя с впрыском бензина (инжекторные).
Известны способы питания бензиновых двигателей внутреннего сгорания с применением инжектора. Достоинством инжекторной схемы питания бензинового двигателя внутреннего сгорания является контроль подачи необходимого количества топлива для подготовки оптимальной топливно-воздушной смеси. Инжекторная схема питания бензинового двигателя внутреннего сгорания имеет и ряд недостатков:
- сложность и относительно высокая стоимость;
- низкая ремонтопригодность узлов системы подачи топлива — некоторые детали проще выбросить, чем ремонтировать;
- повышенные требования к качеству и составу топлива;
- обслуживание и ремонт может проводиться только специалистами с применением специальных инструментов и приборов;
- зависимость от напряжения питания бортовой сети (в ряде систем отключение аккумулятора и вовсе делает работу двигателя невозможной).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявленному устройству - прототип - является бензогазовая система питания двигателя внутреннего сгорания (патент РФ на полезную модель №52115, кл. МПК F02M 13/06, опубл. 10.03.2006), содержащая контур подачи жидкого углеводородного топлива (бензина), включающий бензобак, сообщенный через топливную магистраль и ряд установленных в ней топливных агрегатов с задроссельным пространством всасывающего коллектора двигателя, и контур подачи газового топлива, включающий горизонтально расположенный газовый баллон, оснащенный заправочно-расходным вентилем для жидкой фазы газа, к выходу которого подключен газопровод и расположенные по ходу газопровода: первый фильтр предварительной очистки жидкой фазы газа, испаритель, соединенный трубопроводом с системой охлаждения двигателя, одноступенчатый редуктор, запорный электромагнитный клапан для отключения газа, причем в систему дополнительно введены: трехпозиционный ("Бензин", "Бензин + Газ", "Газ") переключатель режимов работы двигателя, второй фильтр-отстойник вихревого типа из прозрачного материала, подсоединенный к выходу одноступенчатого редуктора, двухканальный пневмораспределитель газового потока с электроприводом, подсоединенный к выходу второго фильтра-отстойника, двухканальное дозирующее устройство, с одной стороны подсоединенное к выходу пневмораспределителя, а с другой стороны сообщенное со всасывающим коллектором двигателя и состоящее из двух дозаторов игольчатого типа - первого для регулировки подачи газа в режиме работы двигателя на чистом газе и второго - для регулировки подачи газа в режиме работы двигателя на смеси бензина с газом.
Недостатком известного устройства является его конструктивная сложность, а также недостаточная экономичность и относительно невысокая экологичность.
Раскрытие полезной модели
Задача полезной модели - создание простого и надежного устройства для получения топлива в газовой фазе, позволяющего получить однородную топливовоздушную смесь для сжигания в цилиндрах двигателя.
Техническим результатом является упрощение устройства, а также повышение экономичности и экологичности его работы за счет использования тепловой энергии выхлопных газов для испарения жидкого углеводородного топлива (бензина), что уменьшает общее выделение тепла двигателем в атмосферу. Дополнительным преимуществом является экономия на дополнительных, дорогостоящих элементах – катализаторах, так как полное сгорание топлива в газовой фазе не требует установки в выхлопную систему ДВС устройств, обеспечивающих устранение несгоревших остатков топлива.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для получения топлива в газовой фазе содержит последовательно соединенные электромагнитный клапан, испаритель с датчиками температуры на входе и выходе, ресивер-радиатор с датчиками давления на входе и выходе, редуктор давления; а также электронный контроллер, соединенный с электромагнитным клапаном, датчиками температуры и давления, причем испаритель дополнительно соединен с выхлопным коллектором и с глушителем.
Предлагаемое техническое решение отличается от прототипа тем, что:
1)  Для испарения жидкого углеводородного топлива (бензина) используется тепловая энергия выхлопных газов, а не тепловая энергия системы охлаждения ДВС.
2) Не требуется установка дополнительных баллонов для хранения криогенного газа и соответственно сохраняется полезный объем багажного отделения автомобиля.
3) Испаритель - полая трубка с датчиком температуры, размещенная непосредственно на выхлопном коллекторе ДВС с обеспечением максимального теплового контакта.
4) От компоновки ДВС зависят варианты исполнения испарителя. Трубка может быть намотана на выхлопном коллекторе ДВС, закреплена с помощью переходной пластины или даже быть вмонтированной в выхлопную систему.
5) Редуктор совмещен с ресивером-радиатором.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлены схемы питания двигателя внутреннего сгорания жидким углеводородным топливом (бензином): а) по стандартной схеме; б) с использованием устройства для получения топлива в газовой фазе.
На фиг. 2 представлена схема устройства для получения топлива в газовой фазе.
На фигурах приняты следующие обозначения: ТБ – топливный бак с бензонасосом, ДВС – двигатель внутреннего сгорания, УИ – устройство для получения топлива в газовой фазе; 1 – вход – подача жидкого топлива от бензонасоса («бензин жидкая фаза»), 2 – электромагнитный клапан, 3 и 6 – датчики температуры на входе и выходе соответственно испарителя 4; 5 – электронный контроллер, 7 и 10 – датчики давления на входе и выходе соответственно ресивера-радиатора 8; 9 – редуктор давления, 11 – выход – испаренное топливо в систему питания ДВС («бензин в газовой фазе»).
Осуществление полезной модели
Устройство для получения топлива в газовой фазе состоит из (см. фиг. 2):
- испарителя 4, который устанавливается в разрыв между выпускным коллектором и выхлопной трубой двигателя или непосредственно на выпускной коллектор. Конкретные параметры испарителя 4 рассчитываются под конкретный двигатель;
- ресивера-радиатора 8, который представляет собой баллон для обеспечения хранения необходимого объема подготовленного топлива с заданным давлением и температурой;
- редуктора давления 9, который предназначен для поддержания постоянного давления в магистрали форсунок;
- датчиков давления 7 и 10 на входе и выходе ресивера-радиатора 8;
- датчиков температуры 3 и 6 на входе и выходе испарителя 4;
- электромагнитного клапана 2;
- электронного контроллера 5.
Устройство для получения топлива в газовой фазе позволяет получить газообразное топливо из жидкого углеводородного топлива (бензина), что в свою очередь позволяет получить однородную топливовоздушную смесь для сжигания в цилиндрах двигателя.
Условием образования однородной топливовоздушной смеси является равномерное распределение топлива в воздухе, т.е. одинаковое соотношение между числом молекул топлива и числом окружающих их молекул кислорода воздуха во всем объеме камеры сгорания. Такое условие может быть соблюдено, если топливо и воздух образуют гомогенную смесь.
Трудность образования бензовоздушной однородной смеси заключается в том, что соотношение объемов компонентов (полностью испаренного бензина и воздуха) составляет 1:50.
Карбюраторные, инжекторные и современные схемы питания ДВС (топливные насосы высокого давления ТНВД и топливные форсунки, установленные в камере сгорания), использующие топливо в жидкой фазе не позволяют получить гомогенную смесь во всем интервале мощности двигателя и при эксплуатации двигателя в разных режимах.
Таким образом предпочтительно использовать для питания двигателя топливо в газовой фазе.
Преимущества питания двигателя топливом в газовой фазе:
- повышение надежности и долговечности двигателя;
- исключение нагарообразования;
- простая интеграция в существующие системы питания любого двигателя (двухтактного или четырехтактного, бензинового или дизельного);
- снижение расхода топлива;
- организация объемно-пленочного смесеобразования;
- снижение выброса окислов СО, NOx и СН на малых и средних нагрузках, составляющих около 80% рабочего режима двигателя при эксплуатации.
Устройство для получения топлива в газовой фазе работает следующим образом.
После включения «ЗАЖИГАНИЯ» электронный контроллер 5 опрашивает датчик температуры 3 и сравнивает значение температуры со значением, записанным в программе. Если двигатель ранее не работал и был холодным, то электронный контроллер 5 не выдает сигнал для открытия «нормально закрытого» электромагнитного клапана 2 и жидкое углеводородное топливо (бензин) из бензобака в систему питания ДВС не поступает. Далее электронный контроллер 5 выдает сигнал запустить двигатель. ДВС будет работать на испаренном ранее топливе, которое хранится в небольшом ресивере-радиаторе 8. После прогрева двигателя и нагрева выхлопного коллектора изменится сигнал с датчика температуры 3, электронный контролер 5 зафиксирует изменение температуры и выдаст сигнал на открытие электромагнитного клапана 2. Жидкое углеводородное топливо (бензин) из бензобака с помощью бензонасоса начнет поступать в испаритель 4. Испаренное углеводородное топливо (бензин) в газовой фазе (далее газ) попадает в ресивер-радиатор 6. Чтобы газ не поступал обратно в бензобак, перед электромагнитным клапаном 2 установлен обратный клапан двухфазного состояния (на фиг. не показан). Давление в ресивере-радиаторе 8 начинает расти, электронный контроллер 5 опрашивает датчик давления 7, в случае превышения значения, записанного в программе, закроет электромагнитный клапан 2. Газ из ресивера-радиатора 8 поступает к форсункам двигателя через понижающий редуктор давления 7. В зависимости от потребления газа двигателем, электронный контроллер 5 управляет электромагнитным клапаном 2 по сигналам, поступающим от датчиков давления 7, 10 и температуры 3, 6. После выключения «ЗАЖИГАНИЯ» ДВС будет остановлен. Электронный контроллер 5 закроет электромагнитный клапан 2, а в ресивере-радиаторе 8 будет обеспечен необходимый запас газа для следующего запуска ДВС, в том числе, когда двигатель холодный.
Преимущества предлагаемого технического решения:
1) Питание ДВС во всех режимах работы происходит только топливом в газовой фазе, однако штатные функции работы ДВС на жидком углеводородном топливе (бензине) сохраняются, достаточно переключить режим «бензин» или «испаренный бензин».
2) Для запуска «холодного» ДВС предусмотрен запас топлива в газовой фазе, достаточный для прогрева ДВС и дальнейшей эксплуатации. Нет необходимости в переключении режима «бензин» или «испаренный бензин» при ежедневной эксплуатации ДВС.
3) Электронный контроллер обеспечивает автоматическую работу оборудования без необходимости вмешательства в работу и управление процессом питания ДВС.
4) Полное сгорание газа не требует установки в выхлопную систему ДВС дополнительных, дорогостоящих элементов – катализаторов, для устранения несгоревших остатков топлива.
5) Полное сгорание газа обеспечивает высокий экологический класс ДВС и существенно сокращает затраты на жидкое углеводородное топливо (бензин).
6) Использование тепловой энергии выхлопных газов для испарения жидкого углеводородного топлива (бензина) уменьшает общее выделение тепла двигателем в атмосферу.
7) Мощность ДВС не зависит от колебаний октанового числа жидкого углеводородного топлива (бензина).
8) Повышение моторесурса ДВС за счет уменьшения детонационных процессов в ДВС. Полное сгорание газа исключает нагарообразование.
9) Возможен перевод любого ранее выпущенного ДВС на питание топливом в газовой фазе.
Таким образом, заявленная конструкция устройства для получения топлива в газовой фазе обеспечивает повышение экономичности и экологичности его работы за счет использования тепловой энергии выхлопных газов.
Сопоставительный анализ заявляемой полезной модели показал, что совокупность существенных признаков заявленного устройства не известна из уровня техники и значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявленного устройства в области двигателестроения, может быть использована в системах подачи топлива в двигатели внутреннего сгорания, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».