ТОПЛИВНЫЙ БАК С КАНАЛОМ СБРОСА ДАВЛЕНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к конструкциям автомобильных топливных баков.
Уровень техники
Автомобильные топливные баки обычно имеют заправочную трубку, через которую топливо поступает в бак, и вентиляционную трубку, через которую вытесненный воздух и пары выходят из топливного бака. Обычно при заправке топливо подают в бак через заправочный пистолет, выполненный с возможностью отсекать подачу топлива после заполнения топливного бака. Для этих целей пистолет может содержать запорный клапан, активируемый с помощью давления. При заполнении топливного бака происходит повышение внутреннего давления, которое продавливает топливо вверх по заправочной трубке, закрывая клапан и прекращая подачу топлива. Одним из способов достижения такого эффекта является использование внутри топливного бака вентиляционной трубки с по существу горизонтальным отверстием. Вентиляционную трубку в баке располагают таким образом, что горизонтальное отверстие расположено ниже уровня топлива только при полном баке. На другом конце вентиляционной трубки сохраняется атмосферное или близкое к атмосферному давление.
После поступления топлива в топливный бак вытесненный воздух и пары выходят через вентиляционную трубку, тем самым поддерживая в баке и заправочной трубке давление лишь немногим выше атмосферного. Однако когда уровень топлива поднимается выше горизонтального отверстия вентиляционной трубки, воздух и пары больше не могут выходить через вентиляционную трубку, а вновь поступающее топливо вызывает повышение давления внутри бака и заправочной трубки. Из-за повышения давления топливо проходит вверх по заправочной трубке до заправочного пистолета, вызывая отсечение потока топлива.
Описанная выше конструкция позволяет эффективно предотвратить аварийный пролив топлива во время автоматической заправки, однако не всегда способна обеспечить оптимальный режим заправки. В некоторых случаях, когда топливо достигает уровня наполнения, внутреннее давление в заправочной трубке возрастает так резко, что топливо, которое уже находится в заправочной трубке, выплескивается из нее. Топливо может выплескиваться сразу после заполнения бака или с некоторой задержкой. Оба эти явления нежелательны, т.к. топливо может попасть на водителя или сотрудника заправочной станции, а также на сам автомобиль. Более того, любое выплескивание топлива - это бесполезный его расход, который приводит к повышению общего уровня выбросов углеводородов.
Проблему выплескивания топлива из заправочной трубки автомобиля пытались решить ранее. Например, в патентной заявке США, номер 2004/0144444 (которая может быть выбрана в качестве ближайшего аналога), раскрыт вариант вентиляционной трубки для автомобильного топливного бака, которая выступает на достаточно большую высоту за пределами топливного бака. В данном документе указано, что столь резкого повышения давления при заполнении бака не происходит, поскольку топливо проходит вверх по вентиляционной трубке и противодействует растущему давлению нагнетания. Однако было обнаружено, что подобное решение может подходить не для всех режимов заправки автомобилей, а также не для всех типов транспортных средств. В частности, при использовании такого способа, величины понижения давления может не хватать для полного предотвращения выплескивания топлива из заправочной трубки при некоторых условиях заправки. Кроме того, увеличение длины вентиляционной трубки может привести к тому, что конструкция не может быть установлена на некоторых транспортных средствах.
Раскрытие полезной модели
Таким образом, для преодоления вышеописанных недостатков была разработана конструкция топливного бака, имеющего с внутреннее пространство, ограниченное стенкой, заправочную трубку для подачи топлива во внутреннее пространство, и канал сброса давления для отвода воздуха и паров из внутреннего пространства по мере заполнения бака топливом. Канал сброса давления включает в себя вентиляционную трубку, проходящую через стенку бака вниз во внутреннее пространство и имеющую цилиндрический впускной участок, расположенный во внутреннем пространстве, с концевым отверстием некруглой формы. Вентиляционная трубка может представлять собой единое литое изделие.
Отверстие может иметь эллиптическую форму или включать в себя вертикальную прорезь на концевом участке трубки.
Отверстие может быть выполнено наклонным относительно цилиндрического впускного участка трубки, например, может быть образовано сечением цилиндрического впускного участка плоскостью, наклонной относительно цилиндрического впускного участка. При этом угол между секущей плоскостью и центральной осью цилиндрического впускного участка может составлять примерно 60 градусов.
В другом варианте отверстие может быть образовано сечением вентиляционной трубки изогнутой поверхностью.
Вентиляционная трубка может проходить через стенку вертикально, например, через герметичную крышку, с помощью которой канал прикреплен к стенке. При этом участок вентиляционной трубки за пределами стенки является не вертикальным, а вентиляционная трубка лишь незначительно выступает над самой верхней точкой на стенке. В частности, участок вентиляционной трубки за пределами стенки может быть ориентирован горизонтально, а также под прямым углом к участку вентиляционной трубки, расположенному во внутреннем пространстве.
Нижний конец вентиляционной трубки может быть расположен ниже заранее заданного уровня топлива в топливном баке, соответствующего полному баку, например, меньше, чем примерно на 5 сантиметров.
Таким образом, техническим результатом полезной модели является гарантированное предотвращение выплескивания топлива из заправочной трубки при различных условиях заправки и обеспечение возможности установки устройства в любое транспортное средство.
Указанный эффект достигается за счет того, что с помощью канала сброса давления, заканчивающегося наклонным отверстием на уровне заполнения бака, обеспечивается плавное повышение внутреннего давления в заправочной трубке по мере повышения уровня топлива в топливном баке до заранее установленного уровня. При этом внутреннее давление плавно возрастает до уровня, достаточного для того, чтобы топливо поднялось по заправочной трубке и привело в действие запорный клапан для прекращения подачи топлива.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлены элементы конструкции транспортного средства.
На Фиг. 2 представлен канал сброса давления.
На Фиг. 3 представлен вид в перспективе топливного бака.
На Фиг. 4 представлен поперечный разрез топливного бака, изображенного на Фиг. 3.
На Фиг. 5 представлен график зависимости давления внутри топливного бака от времени заправки.
На Фиг. 6 и Фиг. 7 представлены другие варианты конструкции канала сброса давления.
На Фиг. 8 представлена блок-схема процесса подачи топлива в топливный бак транспортного средства.
Осуществление полезной модели
Особенности предложенной конструкции и ее применение будут рассмотрены далее со ссылкой на варианты воплощения, представленные на перечисленных выше изображениях. Детали, технологические операции и прочие элементы, которые могут быть практически одинаковыми для различных вариантов воплощения, обозначены одинаково и описаны таким образом, чтобы избежать повторения. Можно отметить, что аналогичным образом идентифицированные элементы могут в некоторой степени отличаться. Сопроводительные чертежи, если это не оговорено специально, представляют собой схематические изображения и выполнены без соблюдения масштаба. Более того, масштабы изображений, соотношения сторон и количества изображенных деталей на чертежах могут быть специально искажены для того, чтобы легче было рассмотреть определенные параметры и их взаимосвязь.
На Фиг. 1 изображена схема, обозначающая элементы конструкции транспортного средства 10. Транспортное средство включает в себя двигатель 12 и топливный бак 14. Топливный бак имеет внутреннее пространство 16, ограниченное стенкой 18. Топливо поступает во внутреннее пространство через заправочную трубку 20 и подается в двигатель через сифон 22. В понятие топлива могут входить дизельное топливо, бензин, спирты, Например, этиловый или метиловый, или их смеси. В варианте воплощения, представленном на Фиг. 1, топливный бак сообщается с атмосферой через поглотительную емкость 24. Материал (например, графит), содержащийся в поглотительной емкости, поглощает пары топлива, которые, в противном случае, попадали бы из топливного бака в атмосферу. В некоторых вариантах воплощения к поглотительной емкости может быть подключено подходящее оборудование для регулирования расхода топлива, что позволит подавать адсорбированное топливо в двигатель при подходящих условиях.
Поглотительная емкость 24 сообщается с топливным баком 14 через два независимых вентиляционных канала: канал 26 сброса давления и канал 28 сброса вакуума. За счет того, что вентиляционная трубка 30 проходит через стенку 18 и вниз во внутреннее пространство 16, канал сброса давления обеспечивает выпуск воздуха и паров из внутреннего пространства при заполнении бака топливом. По мере расхода топлива из бака канал сброса вакуума позволяет воздуху поступать в топливный бак. Каналы сброса вакуума и давления также совместно обеспечивают поддержание давления в топливном баке на уровне, близком к атмосферному, несмотря на изменения высоты, температуры окружающей среды и др. В некоторых вариантах воплощения оборудование для регулирования расхода топлива может быть соединено с обоими каналами: сброса давления и вакуума. Это оборудование может быть выполнено с возможностью предотвратить вытекание топлива из бака в случае, если автомобиль 10 перевернулся или опрокинулся на бок, а также обеспечить выполнение других функций.
Никакая конкретная конфигурация, изображенная на Фиг. 1, не должна восприниматься как ограничивающая, т.к. возможны другие варианты воплощения конструкции. Например, несмотря на то, что в некоторых вариантах воплощения топливный бак сообщается с атмосферой через поглотительную емкость, в других вариантах такая емкость может не использоваться. Например, в некоторых дизельных двигателях поглотительной емкости нет.
На Фиг. 2 изображен один вариант канала 26 сброса давления (обозначенный 26A). На Фиг. 3 представлен вид в перспективе топливного бака 14 с указанием расположения канала сброса давления. На Фиг. 4 представлен поперечный разрез топливного бака и канала сброса давления.
На Фиг. 2 показано, что вентиляционная трубка 30A проходит через герметичную крышку 32, которая прикрепляет канал 26A к стенке 18. В данном варианте воплощения весь канал, т.е. вентиляционная трубка и герметичная крышка, может представлять собой единое литое изделие. В изображенном варианте вентиляционная трубка имеет отверстие 34A некруглой формы. Более конкретно, отверстие вентиляционной трубки является эллиптическим. Как показано на Фиг. 2, в данном примере отверстие 34A формирует конец вентиляционной трубки, а не, например, выполнено на стенке вентиляционной трубки, то есть, нет участка вентиляционной трубки, который был бы ниже отверстия 34A. Кроме того, отверстие 34A полностью открыто по всей окружности вентиляционной трубки на ее конце, оно ничем не закрыто и не имеет иных препятствий, блокирующих какой бы то ни было участок эллиптического отверстия. Таким образом, некруглое отверстие 34A ничем не закрыто и не ограничено. На Фиг. 2 также показано, что в области вокруг эллиптического отверстия вентиляционная трубка имеет абсолютно круглое сечение без каких-либо сужений или других ограничений. Как внутренняя, так и наружная поверхности вентиляционной трубки в области эллиптического отверстия 34A являются ровными и сплошными. На Фиг. 2 также видно, что некруглое отверстие может быть направлено наружу ровно на 180 градусов вокруг вертикальной оси.
В этом и других вариантах воплощения вентиляционная трубка содержит цилиндрический впускной участок 36A, расположенный во внутреннем пространстве 16 топливного бака 14. На представленном примере видно, что отверстие 34A расположено под углом к цилиндрическому впускному участку 36A, а точнее, под углом к центральной оси 38 цилиндрического впускного участка, а также к любой линии или плоскости, параллельной центральной оси. Отверстие также расположено под углом к горизонтальной плоскости, что может быть определено как направление, параллельное поверхности раздела жидкость-пар в топливном баке, когда автомобиль стоит на горизонтальной поверхности. В представленном примере отверстие задано с помощью сечения цилиндрического впускного участка плоскостью 40, расположенной под углом к цилиндрическому впускному участку. На Фиг. 2 плоскость повернута примерно на 30 градусов от центральной оси цилиндрического впускного участка или на 60 градусов относительно горизонтали.
Как показано на Фиг. 4, вентиляционная трубка 30A может проходить вертикально через стенку 18 топливного бака 14, т.е. цилиндрический впускной участок 36A может быть расположен вертикально. При этом расположенный за стенкой участок вентиляционной трубки, участок 42 на Фиг. 2 и 3, может не быть вертикальным. В варианте воплощения, показанном на Фиг. 3, участок 42 вентиляционной трубки ориентирован горизонтально, т.е. под прямым углом к цилиндрическому впускному участку, расположенному во внутреннем пространстве. В этом и других вариантах воплощения вентиляционная трубка может лишь незначительно выступать за самую верхнюю точку стенки 18.
Кроме того, в данном варианте воплощения топливный бак 14, как показано на Фиг. 4, имеет разнообразные вертикальные расширения и объемные выступы, связанные с компоновочными ограничениями транспортного средства. Как показано, самый верхний выход канала 26 сброса давления расположен выше, чем наивысшая точка внутреннего пространства топливного бака 14, в то время как впуск канала 26 сброса давления (например, эллиптическое отверстие 34A) расположен ниже самого верхнего объемного выступа.
На Фиг. 1 вентиляционная трубка 30 проходит чуть ниже заранее заданного уровня 44 полного топливного бака. Заранее заданный уровень полного бака может представлять собой уровень топлива, которое практически полностью заполняет бак, но при этом остается достаточное верхнее свободное пространство для расширения жидкости и пара. Другими словами, заранее заданный уровень полного бака - такой уровень топлива, при котором датчик 45 уровня показывает, что бак полон. В одном варианте воплощения вентиляционная трубка может опускаться ниже заданного уровня топлива меньше, чем на 2 дюйма (примерно 5 см), или меньше, чем на 1 дюйм (примерно 2,54 см) в другом варианте. В данном варианте воплощения заданный уровень топлива может делить отверстие вентиляционной трубки на две части.
Как показано на Фиг. 1, топливо поступает в заправочную трубку 20 через пистолет 46, в который насос 48 подает топливо. Пистолет и насос могут быть частью стандартного серийного или несерийного оборудования заправочной станции. Соответственно, пистолет может представлять собой пистолет с автоматическим контролем уровня топлива, что предполагает прекращение подачи топлива, когда топливный бак полон. Для этого пистолет может содержать запорный клапан, приводимый в действие давлением, и перекрывающий подачу топлива, когда топливо в заправочной трубке достигает пистолета. В рассматриваемой в данном документе конфигурации внутреннее давление в заправочной трубке плавно возрастает по мере повышения уровня топлива до заранее заданного уровня. Это происходит из-за плавного уменьшения площади отверстия вентиляционной трубки канала сброса давления, например, отверстия 34A, по мере повышения уровня топлива. Плавное уменьшение площади отверстия обеспечивает плавное повышение сопротивления потоку воздуха и пара в канале сброса давления.
Представленная конфигурация существенно отличается от топливных баков, известных из уровня техники, в которых вентиляционная трубка сброса давления имеет круглое и практически горизонтально ориентированное отверстие. В таких конструкциях происходит резкое уменьшение незакрытой площади отверстия с полностью открытого отверстия до нуля, т.к. топливо сразу полностью перекрывает отверстие. Было обнаружено, что резкое уменьшение площади отверстия при наполнении бака приводит к резкому и значительному повышению внутреннего давления в топливном баке, что может стать причиной выплескивания топлива из заправочной трубки. Также было доказано, что для определенных топливных баков легковых и малотоннажных грузовых автомобилей, имеющих такие каналы сброса давления, при скорости заправки выше 16 галлонов в минуту высока вероятность выплескивания топлива из заправочной трубки. Кроме того, проблема усугубляется при использовании пистолета диаметром 25 мм и меньше, возможно, из-за эффекта нагнетания.
Для изучения влияния геометрической формы вентиляционной трубки на давление в топливном баке и выплескивание топлива были созданы каналы сброса давления с различными отверстиями: (A) круглое горизонтальное отверстие; (B) круглое горизонтальное отверстие с еще одним отверстием диаметром 1/16 дюйма (около 0,2 см) на расстоянии 1 дюйма (около 2,54 см) от первого; (C) круглое горизонтальное отверстие с еще одним отверстием диаметром 3/16 дюйма (около 0,5 см) на расстоянии 1 дюйма (около 2,54 см) от первого; (D) эллиптическое отверстие, плоскость которого ориентирована под углом 60 градусов относительно оси цилиндрического впускного участка вентиляционной трубки; и (E) эллиптическое отверстие, плоскость которого ориентирована под углом 30 градусов относительно оси цилиндрического впускного участка вентиляционной трубки. Каждый канал сброса давления был соединен с каждым из двух различных топливных баков Р и О малотоннажных грузовых автомобилей. Приведенные ниже результаты получены при заправке топливного бака со скоростью 17 галлонов в минуту с применением пистолета с диаметром ствола 24 мм. В таблице приведены максимальные значения давления в баке и объемы выплеснувшегося топлива для ряда проведенных опытов. Во всех опытах топливо выплескивалось с задержкой.
Бак F
Бак G
Давление, дюймы водяного столба
Объем выплескивания, мл
Давление, дюймы водяного столба
Объем выплескивания, мл
канал A
16,76
20
16,83
30
16,27
21
16,56
89
канал B
14,6
15
15,75
35
15,52
18
15,82
34
канал C
17,57
45
15,68
<1
13,45
0
14,06
<1
канал D
14,8
0
16,29
25
15,48
18
15,2
1
13,58
0
15,48
0
канал E
12,97
0
12,5
0
13,72
0
14,73
0
12,1
0
14,19
0
Эти данные, помимо прочего, показывают, что максимальные значения давления в баке коррелируют с объемом выплеснувшегося топлива, и что наименьшее значение давления в баке и объема выплеснувшегося топлива были достигнуты при использовании канала E.
На графике на Фиг. 5 представлены две зависимости внутреннего давления в топливном баке F от времени заправки. Зависимость A - для топливного бака, оснащенного каналом A; зависимость E - для топливного бака, оснащенного каналом E. Из графика видно, что в случае использования вентиляционной трубки с отверстием, расположенным под углом к оси, наблюдаются меньшие пики давления, что говорит о плавном, менее резком и менее значительном повышении давления при наполнении топливного бака.
На Фиг. 6 и 7 представлены примеры других вариантов каналов сброса давления. Отверстие 34B канала 26B сброса давления представляет собой сечение цилиндрического впускного участка 36B по ровной изогнутой поверхности 50. Отверстие 34C канала 26C сброса давления содержит прорезь 52, поднимающуюся вертикально на определенное расстояние по вентиляционной трубке. Как и в случае эллиптического отверстия канала 26A, каждый из этих вариантов обеспечивает плавное уменьшение площади отверстия по мере того, как растет уровень топлива и отверстие закрывается.
Описанные выше конфигурации допускают различные способы подачи топлива в топливный бак транспортного средства. Далее будет приведено описание некоторых из этих способов на примере одного конкретного способа со ссылками на описанные выше конфигурации. Нужно понимать, однако, что описанные ниже способы, а также иные способы использования полезной модели, могут быть применены и к другим конфигурациям.
На Фиг. 8 представлен способ 51 подачи топлива в топливный бак транспортного средства. На этапе 54 способа 51 происходит подача топлива во внутреннее пространство топливного бака с помощью заправочной трубки. На этапе 56 удерживают топливо во внутреннем пространстве. На этапе 58 выполняется вывод воздуха и паров из внутреннего пространства через канал. Канал может содержать вентиляционную трубку, проходящую через стенку и вниз во внутреннее пространство, и эта вентиляционная трубка имеет некруглое отверстие. На этапе 60 происходит плавное, нерезкое и/или незначительное увеличение внутреннего давления по мере повышения уровня топлива до заранее установленного уровня топливного бака благодаря конфигурации канала и стенки. Говоря точнее, внутреннее давление плавно растет до значения, достаточного для того, чтобы топливо поднялось по заправочной трубке и привело в действие запорный клапан, перекрывающий подачу топлива в пистолет. Конфигурация канала и стенки обеспечивает плавное повышение давления даже при скорости подачи топлива 16 галлонов в минуту и выше, а также при использовании пистолета диаметром 25 мм или меньше. Таким образом, можно избежать выплескивания топлива из заправочной трубки.