СДВОЕННАЯ ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА И СОДЕРЖАЩИЙ ЕЕ ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
DOUBLE FUEL SYSTEM AND DIESEL ENGINE WITH SAID SYSTEM

Область применения изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к дизельным двигателям и к топливным системам для дизельных двигателей. Настоящее изобретение имеет особое, но не исключительное применение для грузовых автомобилей.
Уровень техники
Грузовые автомобили, а в частности грузовые автомобили для перевозки на дальние расстояния, используют большие объемы дизельного топлива при транспортировке грузов. Так как стоимость дизельного топлива возрастает, то возрастает также стоимость перевозки грузов. Несмотря на то что по меньшей мере часть повышения стоимости ложится на конечного потребителя, рынок заставляет владельцев грузовиков также нести дополнительные расходы, что снижает их размер прибыли. Следовательно, необходимо исследовать возможность использования альтернативных источников топлива.
Уже используют LPG (сжиженный нефтяной газ) в качестве альтернативного источника топлива для дизельных двигателей. Несмотря на то что LPG хранят под давлением (около 150 psi) в баке, где LPG находится в жидком состоянии, обычно LPG используют в газообразном состоянии под давлением намного ниже 140 psi, которое является минимальным давлением, необходимым для поддержания LPG в жидком состоянии.
Уже известно также использование LPG вместе с дизельным топливом в сдвоенных топливных системах. В патенте US 2005205021 описан отдельный набор инжекторов для ввода газообразного LPG в камеру сгорания, а в патентах US 5408957, US 4520766, JP 1318755 и GB 1252458 описано перемешивание газообразного LPG с воздухом ранее введения полученной смеси в камеру сгорания.
Проблема, связанная с использованием LPG в качестве единственного источника топлива для дизельных двигателей, заключается в том, что это требует существенной модификации двигателей, чтобы преодолеть снижение смазывающей способности при использовании LPG и создать условия для сжигания LPG. Модификация двигателей связана с большими расходами и нарушает гарантийные обязательства изготовителей двигателей. Даже в случае использования сдвоенных топливных систем для LPG и дизельного топлива, дизельные двигатели требуют модификации, чтобы можно было вводить LPG в камеру сгорания.
Задачей настоящего изобретения является создание альтернативной сдвоенной топливной системы, которая позволяет по меньшей мере частично решить указанные выше проблемы.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение возникло в результате понимания воздействия давления на LPG и в результате развития другого решения для создания сдвоенной топливной системы, с использованием сжатого (жидкого) LPG и без существенной модификации дизельного двигателя.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается сдвоенная топливная система для использования в дизельном двигателе внутреннего сгорания, которая содержит:
топливный бак для хранения сжатого сжиженного газа;
дозирующий клапан, соединенный с топливным баком и приспособленный для управления потоком сжиженного газа;
смесительную камеру, соединенную с дозирующим клапаном и приспособленную для перемешивания соразмерного потока сжиженного газа и соразмерного потока дизельного топлива, чтобы образовать жидкую горючую смесь, причем жидкая горючая смесь остается под давлением и поступает в камеру сгорания дизельного двигателя.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается комплект сдвоенной топливной системы для установки в дизельный двигатель внутреннего сгорания, который содержит:
топливный бак для хранения сжатого сжиженного газа;
дозирующий клапан, соединенный с топливным баком и приспособленный для управления потоком сжиженного газа; и
смесительную камеру, соединенную с дозирующим клапаном и приспособленную для перемешивания соразмерного потока сжиженного газа и соразмерного потока дизельного топлива, чтобы образовать жидкую горючую смесь, причем при использовании указанный комплект подает жидкую горючую смесь в камеру сгорания дизельного двигателя.
Дозирующий клапан преимущественно содержит расходный клапан, оперативно управляемый при помощи электронной панели управления. Электронная панель управления преимущественно управляет расходным клапаном в соответствии с обработанными данными, полученными от электронного блока управления транспортного средства.
Преимущественно дизельное топливо сжимают ранее ввода в смесительную камеру. Дизельное топливо преимущественно сжимают при помощи линейного насоса и хранят в герметичном баке ранее использования. Преимущественно подачу сжатого дизельного топлива в смесительную камеру регулируют при помощи расходного клапана, которым оперативно управляют при помощи электронной панели управления. Электронной панелью управления преимущественно управляют при помощи электронного блока управления транспортного средства, который получает и обрабатывает информацию, чтобы подать соответствующий сигнал на электронную панель управления.
Сжиженный газ преимущественно фильтруют при помощи линейного фильтра, ранее пропускания через дозирующий клапан.
Преимущественно LPG бак, дозирующий клапан и смесительная камера соединены при помощи газопровода.
Трубопровод между LPG баком и дозирующим клапаном преимущественно содержит по меньшей мере один закрываемый клапан. В соответствии с предпочтительным вариантом предусмотрены однопутевой невозвратный клапан и закрываемый клапан в трубопроводе между LPG баком и дозирующим клапаном.
Комплект сдвоенной топливной системы может быть установлен на транспортное средство с дизельным двигателем на заводе или может быть закуплен как набор для модернизации дизельного двигателя.
Сжиженным газом может быть LPG, пропан, природный газ или сжатый природный газ.
Преимущественно LPG хранится в баке для сжиженного газа под давлением около 150 psi (фунт на квадратный дюйм), но выше его давления насыщенного пара, составляющего 80 psi.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается дизельный двигатель внутреннего сгорания со сдвоенной топливной системой, который содержит:
первый бак для хранения сжатого сжиженного газа;
второй бак для хранения сжатого дизельного топлива;
первый дозирующий клапан, соединенный с первым баком и приспособленный для управления потоком сжиженного газа;
второй дозирующий клапан, соединенный со вторым баком и приспособленный для управления потоком дизельного топлива;
смесительную камеру, соединенную с первым дозирующим клапаном и вторым дозирующим клапаном, причем указанная смесительная камера приспособлена для перемешивания соразмерного потока сжиженного газа и соразмерного потока дизельного топлива, чтобы образовать жидкую горючую смесь; и
средства распределения, предназначенные для распределения жидкой горючей смеси в каждую внутреннюю камеру сгорания, причем процессор двигателя управляет подбором состава смеси топлива, за счет регулирования соответствующего дозирующего клапана в соответствии с потреблением.
Вышеупомянутые предпочтительные варианты признаков сдвоенной топливной системы и комплекта сдвоенной топливной системы также могут быть использованы в этом аспекте настоящего изобретения.
Второй бак преимущественно получает сжатое дизельное топливо из бака для дизельного топлива через линейный фильтр и насос.
Второй дозирующий клапан преимущественно содержит расходный клапан, оперативно управляемый при помощи электронной панели управления. Электронная панель управления преимущественно управляет расходным клапаном в соответствии с обработанными данными, полученными от электронного блока управления транспортного средства. Электронный блок управления транспортного средства получает и обрабатывает входные сигналы, связанные с потребностью двигателя в топливе.
Преимущественно предусмотрен акселерометр, который измеряет ускорение транспортного средства и оценивает движение транспортного средства в гору или с горы (под уклон). Сигнал от акселерометра преимущественно оперативно регулирует расходные клапаны дизельного топлива и сжиженного газа через соответствующие электронные панели управления. Электронный блок управления преимущественно производит обработку сигналов акселерометра.
Отношение LPG к дизельному топливу может изменяться соответственно от 50:50 до 90:10. Предпочтительнее отношение LPG к дизельному топливу составляет ориентировочно 70:30. Преимущественно может быть использовано любое отношение LPG к дизельному топливу, которое не приводит к преждевременному износу компонентов двигателя за счет нехватки смазки и не нарушает гарантийные обязательства изготовителя, при этом теплотворная способность топлива достаточна для того, чтобы позволить двигателю развивать приемлемые значения мощности и вращающего момента.
Жидкую горючую смесь преимущественно нагнетают в коллектор (common rail), работающий под высоким давлением, так что горючая смесь остается в жидком состоянии. Под коллектором в описании настоящего изобретения понимают как собственно коллекторы, так и топливные коллекторы. Преимущественно коллектор соединен с инжектором для каждой камеры сгорания, причем горючую смесь распределяют в каждый из инжекторов, для сжигания в соответствии с техническими требованиями изготовителя.
Преимущественно горючую смесь фильтруют ранее распределения в коллектор.
Избыток несгоревшей горючей смеси преимущественно накапливают в сливном бачке и возвращают в смесительную камеру, для сжигания в камере сгорания. Предпочтительнее избыток горючей смеси возвращают через датчик температуры топлива на ограничитель давления топлива, а затем на перепускной клапан и клапан ограничения давления. Избыток топлива затем преимущественно пропускают через охладитель топлива и хранят под давлением в герметичном баке, для последующего повторного ввода в смесительную камеру.
Преимущественно предусмотрена отдельная магистраль от бака дизельного топлива к питающему насосу и затем к коллектору двигателя, чтобы использовать дизельное топливо в качестве единственного источника топлива.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается способ использования указанной сдвоенной топливной системы для дизельного двигателя внутреннего сгорания, который включает в себя следующие операции:
дозирование потока сжиженного газа из первого бака при помощи первого дозирующего клапана;
дозирование потока дизельного топлива из второго бака при помощи второго дозирующего клапана;
перемешивание дозированных объемов топлива, чтобы образовать жидкую горючую смесь в смесительной камере; и
распределение жидкой горючей смеси из смесительной камеры в каждую из камер сгорания.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана блок-схема предпочтительного варианта сдвоенной топливной системы для дизельных двигателей.
На фиг.2 схематично показан вид сверху смесительной камеры с использованием дозирующих клапанов Swage Lock в качестве альтернативы электронной системы управления.
На фиг.3 схематично показан вид сбоку смесительной камеры с использованием дозирующих клапанов Swage Lock в качестве альтернативы электронной системы управления.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показана сдвоенная топливная система 10 для дизельных двигателей грузовых автомобилей. Дизельное топливо заливают при атмосферном давлении в бак 11 на заправочной станции. По первому маршруту, дизельное топливо всасывают из бака 11 по трубе 30 через линейный (inline) фильтр 12 при помощи топливного насоса 13. Топливный насос 13 работает при давлении около 30 psi. Линейный фильтр 12 представляет собой стеклянный фильтр, который удаляет из топлива загрязняющие вещества. Дизельное топливо затем подают при помощи питающего насоса 15 в коллектор 16 для ввода в камеру сгорания через инжекторы 18. По первому маршруту, дизельное топливо используют как единственный источник топлива для сжигания в камере сгорания двигателя.
По второму маршруту, дизельное топливо всасывают из бака 11 при помощи вторичного топливного насоса 20 по трубе 31. Дизельное топливо из бака 11 фильтруют при помощи линейного фильтра 12, до его всасывания при помощи вторичного топливного насоса 20. От вторичного топливного насоса 20 дизельное топливо проходит через невозвратный клапан 17 во вторичный герметичный бак 21 для дизельного топлива. Давление во вторичном баке 21 для дизельного топлива поддерживают на уровне около 100 psi. Вторичный герметичный бак 21 для дизельного топлива имеет емкость около 43 литров. Вторичный герметичный бак 21 для дизельного топлива имеет реле 22 давления, которое электронно регулирует вторичный топливный насос 20, за счет чего поддерживается желательное давление. Вторичный герметичный бак 21 для дизельного топлива также имеет стравливающий клапан для стравливание любого воздуха из магистрали 31 и вторичного бака 21 для дизельного топлива. Предусмотрена также магистраль 32 между топливным насосом 13 и вторичным баком 21 для дизельного топлива, при помощи которой дизельное топливо из магистрали 30 может поступать во вторичный бак 21 для дизельного топлива. В магистрали 32 предусмотрен невозвратный клапан 27, который не позволяет дизельному топливу из вторичного бака 21 для дизельного топлива поступать в топливный насос 13.
Сжатое дизельное топливо из вторичного бака 21 для дизельного топлива поступает по магистрали 33 в смесительную камеру 28. Поток сжатого дизельного топлива в магистрали 33 регулируется при помощи расходного клапана 24 дизельного топлива. Управление расходным клапаном 24 дизельного топлива осуществляется электрически при помощи электронного контроллера 25 дизельного топлива, который, в свою очередь, получает управление от электронного блока 26 управления. Электронный блок 26 управления обрабатывает данные относительно оборотов в минуту двигателя, поступающие от датчика угла поворота коленчатого вала. Сжатое дизельное топливо проходит через расходный клапан 24 дизельного топлива и поступает в смесительную камеру 28 под давлением около 100 psi.
LPG заливают в бак 43 на заправочной станции, где бак 43 заполняют LPG в жидком состоянии под давлением около 150 psi. LPG хранят под давлением 150 psi в жидком состоянии. Жидкий LPG проходит по трубе 34 через запорный вентиль 44, линейный фильтр 45, электромагнитный вентиль 48 и невозвратный клапан 49 к LPG расходному клапану 50. LPG расходный клапан 50 имеет электрическое управление от LPG электронного контроллера 51, который имеет управление от электронного блока 26 управления. Сжатый LPG поступает в смесительную камеру 28 под давлением около 100 psi.
1
4
Как сжатое дизельное топливо, так и сжиженный LPG поступают в смесительную камеру 28. Смесительная камера 28 показана на фиг.2 и 3. В качестве альтернативы электронной системы с управляющими клапанами могут быть использованы дозирующие клапаны 60 типа / NPT Swage Lock, которые преимущественно запираются при заданной уставке.
Смесительная камера 28 является главным образом сферической, причем дозирующие клапаны 60 расположены в ней диагонально напротив друг друга. Смесительная камера 28 имеет внутреннюю проволочную сетку 61 для облегчения перемешивания различных видов топлива. Топливную смесь выпускают через выпуск 62, а избыток топливной смеси повторно вводят через впуск 63. Предпочтительное отношение различных видов топлива в смеси составляет 30% дизельного топлива и 70% LPG. Однако возможный диапазон составляет от 10% дизельного топлива и 90% LPG до 90% дизельного топлива и 10% LPG. При отношениях с использованием менее 30% дизельного топлива необходимо повышать смазывающую способность топливной смеси. В частности, дизельное топливо с низким содержанием серы, прошедшее дополнительную фильтрацию, имеет пониженную смазывающую способность, и топливные смеси с содержанием дизельного топлива менее 30% требуют введения дополнительной смазки для исключения преждевременного износа компонентов двигателя.
Кроме регулирования расходных клапанов 24, 50 дизельного топлива и LPG в соответствии с оборотами в минуту двигателя, расходные клапаны 24, 50 также регулируют по сигналам от акселерометра, который дает информацию относительно движения в гору или под уклон. Сигналы акселерометра обрабатывают при помощи электронного блока 26 управления.
Из смесительной камеры 28 жидкую горючую смесь всасывают через вторичный блок 54 фильтрации топлива при помощи питающего насоса 15, который подает ее в коллектор 16 под высоким давлением. Коллектор 16 распределяет жидкую горючую смесь к инжекторам 18 каждой камеры сгорания (не показаны). Для примера только один инжектор 18 показан на фиг.1. Предусмотрен также датчик 55 давления топлива, связанный с коллектором 16.
Несгоревший избыток горючей смеси возвращается от каждого инжектора 18 через датчик 56 температуры топлива. Избыток горючей смеси, связанный с коллектором 16, возвращается через ограничитель 57 давления. Избыток горючей смеси поступает по трубе через перепускной клапан 58, клапан 59 ограничения давления и охладитель 64 в герметичный бак 65 топливной смеси. Герметичный бак 65 топливной смеси имеет стравливающий клапан 66, который позволяет удалять воздух из топливных магистралей и бака 65. Из герметичного бака 65 топливной смеси горючая смесь всасывается в смесительную камеру 28, для возврата в коллектор 16 и в камеры сгорания.
Результаты проверки на токсичность отработавших газов
Для оценки качественных характеристик сдвоенной топливной системы в соответствии с настоящим изобретением, при помощи независимой третьей стороны, Brisbane City Council, была проведена проверка на токсичность отработавших газов и ее результаты были проанализированы фирмой Gilmore Engineers Pty Ltd. Были проведены два вида испытаний, а именно при использовании только дизельного топлива и LPG/дизельного топлива (при отношении 70% LPG и 30% дизельного топлива). Испытание при использовании только дизельного топлива (тест 2969) было проведено 27 марта 2007 г. с использованием ускоренного теста DT80. Испытание при использовании LPG/дизельного топлива (тест 3262) было проведено 17 мая 2007 г. с использованием ускоренного теста DT80. В том и другом случае использовали одно и то же транспортное средство, а именно грузовик ISUZU (950 FVR), который весит 13000 кг. Ускоренный тест DT80 представляет собой серию быстрых разгонов (ускорений) и торможений (замедлений), с промежуточными режимами холостого хода, который предназначен для оценки выбросов двигателя транспортного средства в ходе типичных режимов работы транспортного средства с троганьем и остановом.
Результаты проверки на токсичность отработавших газов приведены в следующей таблице:
Единицы измерения
Только дизельное топливо (Тест 2969)
LPG/дизельное топливо (Тест 3262)
DNEPMПредельные значения
NOx (закись азота)
г/кВт·час
6.211
0.380
г/км·t
0.707
0.686
1.5
PM LLSP (частицы)
мг/кВт·час
80.194
26.325
мг/км·t
9.126
2.831
50
Средняя дымность
%
4.623
2.382
25
Эти результаты показывают, что двигатель при проведении ускоренного теста DT80 ездового испытательного цикла на токсичность выхлопа с использованием смеси LPG/дизельное топливо имеет существенно меньшую дымность, существенно меньший выброс аэрозолей или твердых частиц и меньшие выбросы NOx на километр пробега, в сравнении с использованием только дизельного топлива.
NOx выбросы с использованием смеси LPG/дизельное топливо составляют только 45.7% от допустимых в соответствии с требованиями DNEPM (Национальные меры по защите окружающей среды от выбросов дизельных двигателей). Выбросы твердых частиц составляют только 5.7% от допустимых в соответствии с требованиями DNEPM, а средняя дымность составляют только 9.5% от допустимой в соответствии с требованиями DNEPM. Подводя итог, можно сказать, что уровень выбросов с использованием смеси LPG/дизельное топливо существенно меньше допустимых предельных значений в соответствии с требованиями DNEPM.
Преимуществом предпочтительного варианта сдвоенной топливной системы является то, что LPG может быть перемешан с дизельным топливом при относительно высоких отношениях, а полученная жидкая горючая смесь может быть использована в камере сгорания. В отличие от других сдвоенных топливных систем, технические требования изготовителей не изменяются и гарантийные обязательства изготовителей сохраняются. Преимущество предпочтительного варианта возникает за счет перемешивания LPG и дизельного топлива с образованием жидкой горючей смеси, которая может быть распределена через коллектор в камеры сгорания. В отличие от этого, в других сдвоенных топливных системах используют LPG в газообразном состоянии и часто смешивают LPG с воздухом.
Преимуществом сдвоенной топливной системы в соответствии с предпочтительным вариантом также является то, что требуются только минимальные изменения дизельного двигателя, причем создаются более чистые выбросы и требуется менее частое техническое обслуживание, в том числе замена масла. Сдвоенная топливная система в соответствии с предпочтительным вариантом позволяет использовать имеющийся в изобилии LPG, относительно более дешевый по сравнению с дизельным топливом и бензином. Эта относительная дешевизна может приводить к снижению эксплуатационных расходов транспортных средств с дизельными двигателями.
Несмотря на то что в качестве примера был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки формулы изобретения.
В описании изобретения и в формуле изобретения слово "содержит" и его вариации, такие как "содержащий", не исключают использования других добавок, компонентов, целых чисел или операций.