CZ12645U1 - Zařízení pro dodávání paliva do motorů vozidel na zemní plyn - Google Patents

Description

Zařízení pro dodávání paliva do motorů vozidel na zemní plyn

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro dodávání paliva do motorů vozidel na zemní plyn, zejména pro autobusy.

Dosavadní stav techniky

Motory na zemní plyn jsou principiálně motoiy zážehové, obsahují zapalovací svíčky, řídicí jednotky nebo snímače otáček motoru. Jejich výkonová charakteristika je v rozmezí od 28 do 32 % mechanického výkonu (užitečný výkon), zbytek je mechanicky ztracen anebo tepelně vyzářen. U vznětových motorů je výkonová charakteristika příznivější, do 45 %. Tepelné namáhání prostorů zástavby motoru je proto poměrně vysoké aje nutné tyto prostory upravit tak, aby nedocházelo ke zvýšenému tepelnému namáhání ostatních agregátů, skupin a podskupin, které se nacházejí v motorovém prostoru (jedná se například o alternátory, startéry, hydročerpadla, vodní pumpy, ložiska).

Obecnou nevýhodou plynového pohonu je nutnost stlačování plynu na vysoký tlak, například na 22 MPa, pro vytvoření jeho dostatečné zásoby potřebné pro dojezd vozidla. S tím jsou spojena rizika při manipulaci, používání nebo ošetřování jednotlivých prvků tlakových soustav. Umístění tlakových zásobníků je v zásadě možné v kterémkoli místě karoserie vozidla, jestliže budou zachována základní bezpečnostní opatření. Nad rámec těchto bezpečnostních opatření vystupuje požadavek plynofikace nízkopodlažních autobusů (městské provedení), kde není možné tlakové nádoby s dostatečně velkou kapacitou umístit do zavazadlových prostorů nebo jiných prostorů v okolí rámu vozidla. Dálková doprava může částečně využít prostoru pro zavazadla, ale i zde je kapacita objemu zavazadlových prostorů a požadovaného objemu pro umístění tlakových nádob pro uskladnění stlačeného plynu omezena. Cílem řešení je umožnit použití většího množství tlakových zásobníků stlačeného plynu a tím objemu plynu v závislosti na požadované délce dojezdu vozidla. Dalším úkolem je usnadnění přístupu pro ovládání, seřizování a kontrolu jednotlivých tlakových nádob ve vozidle, zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti celého systému dodávání paliva.

Podstata technického řešení

Cíle je dosaženo zařízením pro dodávání paliva do motorů vozidel na zemní plyn, zejména pro autobusy, podle předloženého technického řešení. Zařízení zahrnuje tlakový zásobník stlačeného zemního plynu, sestávající z řady sériově zapojených tlakových nádob, uložených v nosném rámu, kde tlakový zásobník je propojený s plnicí armaturou, a současně přes regulátor tlaku zemního plynu se směšovačem zemního plynu a vzduchu na vstupu do motoru vozidla. Podstata technického řešení spočívá v tom, že tlakový zásobník s nosným rámem je upevněn na střeše vozidla tak, že jeho tlakové nádoby jsou uspořádány napříč k podélné ose vozidla. Z tlakového zásobníku je vedeno hlavní tlakové potrubí do vnitřního prostoru vozidla, kde se dělí na větev plnění, ukončenou plnicím ventilem, a na větev dodávky paliva s uzavíracím ventilem na jejím vstupu, ukončenou ve směšovací na vstupu do motoru. Z tlakového zásobníku je do vnitřního prostoru vozidla vedeno s výhodou jediné hlavní tlakové potrubí.

Mezi výhody tohoto uspořádání je možno uvést následující. Ve vozidle je zachován zavazadlový prostor. Příčné uložení tlakových nádob na střeše vozidla umožňuje použití většího množství zásobníků stlačeného plynu, v závislosti na požadované délce dojezdu vozidla. Je podstatně sníženo riziko úniku plynu a jeho hromadění v prostoru vozidla, plyn může volně unikat z prostoru střechy vzhůru. Výhodou jediného tlakového potrubí je zejména jeho univerzálnost z hlediska dodávky paliva a plnění tlakových nádob zásobníku. Dále jsou to snížené nároky na materiál a omezení vzniku poruch, potrubí je opatřeno bezpečnostními prvky pro zabezpečení požadovaného směru proudění plynu.

-1 CZ 12645 Ul

K nosnému rámu jsou s výhodou otočně připevněna dvě souměrně uspořádaná křídla krytu tlakového zásobníku s rovinou vyklápění v podélné ose vozidla. Kryt je z plastu, svým tvarem, včetně předního a zadního čela, aerodynamicky navazuje na karoserii vozidla, přičemž je opatřen větracími otvory. Výhodami jsou usnadnění přístupu pro ovládání, seřizování a kontrolu tlakových nádob zásobníku stlačeného plynu na střeše vozidla, dále jejich ochrana před povětrnostními vlivy. Z bočních stran je kryt opatřen větracími otvory, které zabezpečují případný únik plynu do ovzduší tak, aby nemohlo docházet k nahromadění plynu v oblasti tlakových nádob do nebezpečné koncentrace.

Hlavní tlakové potrubí, navazující na spojovací potrubí tlakových nádob, může být vedeno v ochranném zakrytování po střeše vozidla a svedeno do motorového prostoru vozidla svislým sloupkem rámu jeho karoserie. Výhodné je, že potrubí je co nejkratší. Přitom je možné ho odvětrávat jak na střeše vozidla, tak i ve sloupku rámu karoserie, kde je zabezpečeno ochrannou hadicí, která je vyústěna do ochranného zakrytování potrubí na střeše vozidla.

Nosný rám může být z hliníkové slitiny aje připevněn prostřednictvím nosných konzol k ocelovým obloukům rámu střechy vozidla, tvořeným profily tvaru T. Tato konstrukce umožňuje jeho rychlou demontáž a zaručuje bezpečné připojení tlakových nádob ke karoserii vozidla.

Tlakové nádoby mohou být z kompozitu, vyztuženého uhlíkovými vlákny, kde každá z nich je opatřena k ní připevněnou pádovou pojistkou, tvořenou nádobou s kapalinou, a ventilem s bezpečnostním nadprůtokovým ventilem. Konstrukce tlakových nádob umožňuje využít příznivé nízké hmotnosti nádob, omezené dynamickými vlastnostmi vozidla (moment setrvačných sil, odstředivé síly a podobně). Tlakové nádoby mají stejnou charakteristiku, to je plnicí tlak, pevnost v tahu a tlaku, jsou mechanicky stejně odolné jako ocelové nádoby. Pádové pojistky zabezpečují rychlou informaci o nebezpečnosti tlakových nádob při jej ich nesprávné manipulaci, například o pádu nádoby z výšky, havárii, převrácení vozidla apod.

Hlavní tlakové potrubí a spojovací potrubí tlakových nádob jsou s výhodou z oceli a jsou opatřeny tepelně izolačním pláštěm, přičemž hlavní tlakové potrubí má vnitřní průměr v oblasti 12 mm. Uvedená světlost tlakového potrubí zabezpečuje plynulou dodávku plynu bez zamrzání paliva v jednotlivých průchodech a spojích. Menší průměr než 12 mm vykazuje vysokou náchylnost zamrzání potrubí vlivem prudkého ochlazování plynu při jeho rozpínání. Průměr větší než 12 mm pak komplikuje práci směšovače a tlakového regulátoru, dodávka zemního plynuje v takovém případě příliš bohatá a dochází k nadměrné spotřebě plynu při současně nízkém výkonu.

Za plnicím ventilem, opatřeným manometrem, je s výhodou osazen filtr hrubých nečistot. Zamezuje vstupu nečistot z kompresoru nebo čerpací stanice plynu.

Mezi uzavíracím ventilem a směšovačem jsou za sebou ve směru toku paliva s výhodou osazeny tlakový snímač, regulátor tlaku zemního plynu a jemný čistič paliva. Jejich účinky jsou následující, informace o stavu plynu v palivové soustavě, ochrana tlakového snímače při plnění vozidla. Regulátor tlaku snižuje tlak zemního plynu z 22 na 10 Mpa; musí být ohříván, aby nedocházelo kjeho zamrzání. Jemný čistič paliva zabraňuje nežádoucímu pronikání vlhkosti do směšovače. Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude dále vysvětleno na příkladech jeho možných provedení, a to pomocí připojených výkresů a následného popisu příkladu konkrétního provedení. Na obrázku 1 je schematicky zobrazeno v částečném řezu uložení tlakového zásobníku stlačeného zemního piynu na střeše vozidla, na obrázku 2 je bokorysný pohled a na obrázku 3 půdorysný pohled na uspořádání podle obr. 1. Na obrázku 4 je základní schéma plynové soustavy, na obrázku 5 celkové schéma plynové soustavy v napojení na tlakové nádoby na stlačený zemní plyn.

-2CZ 12645 Ul

Příklady provedení technického řešení

K obloukům 3 střechy vozidla, například autobusu, tvořeným ocelovými profily tvaru T, jsou na obou jejich vnějších okrajích rozebíratelně připevněny nosné konzoly 2 z hliníkové slitiny. K nim je připevněn nosný rám £ (z hliníkové slitiny) tlakového zásobníku 6 zemního plynu. Tlakový zásobník 6 obsahuje zpravidla pět, šest nebo sedm tlakových nádob ve tvaru válce, které jsou uloženy vedle sebe napříč střechy vozidla. Jejich celková hmotnost je přibližně 550 až 700 kg. Proti příčnému pohybu jsou tlakové nádoby zásobníku 6 zabezpečeny rozebíratelným svěmým spojením, například ocelovými páskami 20 s pružinami; proti podélnému pohybu, to je ve směru podélné osy vozidla, jsou zabezpečeny uložením v lůžkách na nosném rámu £. Tlakové nádoby zásobníku 6 jsou z kompozitů, například epoxidu vyztuženého uhlíkovými vlákny; jejich vnější průměr je přibližně 385 mm, délka 1500 mm, vnitřní objem při tlaku 20 MPa je asi 135 litrů. Pracovní tlak při teplotě 15 °C je 20 MPa, maximální plnicí tlak je 26 MPa.

Každá tlaková nádoba zásobníku 6 je opatřena ventilem 7 pro napouštění nebo vypouštění zemního plynu; ventil 7 je buďto mechanický nebo elektromagnetický a může býtumístěn na jednom nebo obou koncích tlakové nádoby. Pokud jsou ventily 7 umístěny na obou koncích, je možné rychlejší plnění nebo vypouštění tlakových nádob zásobníku 6; nevýhodou je zdvojení ventilů 7 a příslušných bezpečnostních prvků. Každý z ventilů 7 je opatřen bezpečnostním prvkem, nadprůtokovým ventilem 8, který v případě prudkého poklesu tlaku plynu v soustavě potrubí stlačeného plynu zabezpečuje uzavření všech ventilů 7 tlakových nádob zásobníku 6 do doby vyrovnání tlaku, to znamená odstranění příčiny úniku plynu, Nadprůtokový ventil 8 je založen na pneumatickém principu, jeho membránový systém snímá náhlé tlakové změny a prostřednictvím akčního prvku uzavírá ventil 7.

V provedení s jednostranným plněním tlakových nádob zásobníku 6, kdy ventily 7 jsou pouze na jednom konci tlakových nádob, je opačný konec tlakové nádoby zásobníku 6 osazen pádovou pojistkou 9, která je tvořena nádobkou s kapalinou, připevněnou (přilepenou) k tělesu tlakové nádoby. Pádová pojistka 9 se při pádu z výšky větší než přibližně 2,5 metru rozbije atak identifikuje další nepoužitelnost tlakové nádoby zásobníku 6 do doby její revize. Alternativně může být pádová pojistka 9 upevněna na nosném rámu £ celého zásobníku 6; nevýhodou takového uspořádání však je, že po jejím rozbití po pádu je nutno vyměnit všechny tlakové nádoby zásobníku 6.

Tlakové nádoby zásobníku 6. uložené na nosném rámu £, jsou shora zakryty plastovým krytem 10, uspořádaným tak, aby jeho otevírání umožňovalo přístup k čelům tlakových nádob pro rychlou kontrolu pádových pojistek 9 a ventilů 7 a zároveň účelně chránilo všechny prvky systému uloženého na střeše vozidla. Kryt £0 je dvoukřídlý, s rovinou vyklápěni uprostřed; jako celek je kryt 10 rozebíratelně připevněn k nosnému rámu £. Toto uspořádání krytu 10 nijak neomezuje plnění tlakových nádob zásobníku 6, při plnění, ani vypouštění stlačeného plynu není zapotřebí kryt £0 otevírat.

Jednotlivé tlakové nádoby zásobníku 6 v nosném rámu £ jsou pro maximální využití kapacity objemu stlačeného plynu vzájemně sériově propojeny. Při paralelním zapojení by docházelo v případě poruchy k možnosti nevyčerpání objemu plynu z uzavřené jednotky. Tlakové nádoby zásobníku 6 jsou propojeny tlakovými ocelovými trubkami 11 přes ventilové šroubení. Jsou vzájemně demontovatelné aje možné takové jejich propojení, aby nefunkční nebo poškozené tlakové nádoby zásobníku 6 byly zcela vyřazeny z provozu. Trubky 11 jsou opatřeny vnějším obalem z tepelně izolačního materiálu, například z plastu. Důvodem je snížení tepelných ztrát při plnění tlakových nádob zásobníku 6 a následném odstavení, kdy teplota potrubí dosahuje přibližně 80 °C. Únikem tohoto tepla by docházelo k poklesu tlaku v soustavě vlivem vnitřní energie plynu. Rovněž tlakové nádoby zásobníku 6 jsou opatřeny na svých čelech tepelně izolačními plastovými kryty 2£.

Od tlakových nádob zásobníku 6, uložených v nosném rámu £ na střeše vozidla, je stlačený zemní plyn veden jediným tlakovým potrubím po střeše vozidla (uvnitř ochranného krytu z

-3 CZ 12645 Ul mechanicky odolného plastu) do místa vhodně zvoleného pro svod 12 do motorového prostoru. Tímto místem může být například dutina zadního ocelového sloupku, dutina sloupku dveří vozidla a podobně. Je to místo nejpevnější části rámu karoserie vozidla, které umožňuje dostatečnou ochranu při havárii vozidla, před povětrnostními vlivy, požárem vozidla. Potrubí je svedeno přes průchodky do mechanického filtru 13. hrubých nečistot v plynu, to je rzi, pevných částic v potrubí a podobně. Na filtr 13 hrubých nečistot navazuje plnicí ventil 14 pro plnění tlakových nádob zásobníku 6 stlačeným zemním plynem ze zdroje zemního plynu (čerpací stanice), který je propojen s manometrem 15 pro snímání stavu plnění tlakového zásobníku 6. Mezi filtrem 13 hrubých nečistot a tlakovým zásobníkem 6 je v potrubí zařazen rozbočovač 16 ve tvaru T, který odděluje větev plnění od větve dodávky paliva, to je stlačeného zemního plynu do motoru vozidla.

Větev plnění je vysokotlaká a zabezpečuje naplnění tlakového zásobníku 6 na tlak 22 MPa; větev dodávky paliva zabezpečuje snížení tlaku zemního plynu na hodnotu atmosférického tlaku pro nasávání směsi plynu a vzduchu do motoru vozidla, Ve větvi dodávky paliva do motoru vozidla je za rozbočovačem 16 zařazen mechanický ventil £7, který je v okamžiku plnění uzavřen a odděluje větev plnění (současně chrání tlakový snímač £8). Přívodní potrubí stlačeného plynu od rozbočovače 16 má optimální velikost vnitřního průměru 12 mm. Mechanický ventil 17 se ručně nebo elektromagneticky otevírá po naplnění tlakového zásobníku 6 stlačeným zemním plynem a tím se otevírá cesta pro dodávku zemního plynu do motoru vozidla.

Ve větvi dodávky paliva do motoru vozidla se dále, ve směru od tlakového zásobníku 6 za mechanickým ventilem 17, nachází tlakový snímač £8, který předává informace o provozním tlaku amnožství zemního plynu v tlakovém zásobníku 6 do prostoru kabiny řidiče vozidla. Dále následuje regulátor 19 tlaku plynu, kteiý snižuje tlak zemního plynu z hodnoty 22 MPa v tlakovém zásobníku 6 na lOMpa; přitom dochází k prudkému ochlazení plynu a je nutné regulátor £9 tlaku plynu ohřívat vodou z okruhu chlazení na teplotu přibližně 50 °C.

Regulátor £9 tlaku plynu je mechanicko pneumatickým zařízením, pracujícím na principu škrticí klapky a dávkovaném vypouštění plynu. Je to hlavní regulátor optimálního chodu motoru vozidla. Jeho výstup je připojen kjemnému čističi 5 paliva, který slouží k odvodňování dodávaného paliva, to je snížení obsahu vodního kondenzátu v zemním plynu. Navíc eliminuje možné nečistoty z tlakových nádob zásobníku 6 a rozvodného potrubí zemního plynu. Výstup jemného čističe 5 paliva je připojen ke směšovači 4, který je umístěn v motoru vozidla. Směšovač 4 snižuje tlak zemního plynu na hodnotu atmosférického tlaku. Jedná se o řízený směšovač v závislosti na snímání hodnoty λ, vyjadřující poměr neshořelých spalin k čerstvě přiváděné směsi. Sonda hodnoty λ je umístěna před katalyzátorem, a to mezi turbodmychadlem a katalyzátorem, ajejí výstup zabezpečuje správné hodnoty bohatosti směsi a obsahu spalin (emisní limity).

Pokud by bylo použito namísto stlačeného zemního plynu v plynném skupenství zkapalněného plynu, systém by se choval do určité míry analogicky běžnému benzinovému motoru. Odpadly by filtr £3 hrubých nečistot, plnicí ventil 14 pro plnění tlakového zásobníku 6 stlačeným zemním plynem a manometr £5 pro snímání stavu plnění tlakových nádob zásobníku 6 ve vysokotlaké větvi plnění a dále tlakový snímač 18 a regulátor £9 tlaku plynu ve větvi dodávky paliva do motoru vozidla; namísto směšovače 4 by bylo použito dávkovacího zařízení.

Claims (11)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro dodávání paliva do motorů vozidel na zemní plyn, zahrnující tlakový zásobník 45 (6) stlačeného zemního plynu, sestávající z řady sériově zapojených tlakových nádob, uložených v nosném rámu (1), kde tlakový zásobník (6) je propojený s plnicí armaturou, a současně přes regulátor (19) tlaku zemního plynu se směšovačem (4) zemního plynu a vzduchu na vstupu do

   -4CZ 12645 Ul motoru vozidla, vyznačující se tím, že tlakový zásobník (6) s nosným rámem (1) je upevněn na střeše vozidla tak, že jeho tlakové nádoby jsou uspořádány napříč k podélné ose vozidla, přičemž z tlakového zásobníku (6) je vedeno hlavní tlakové potrubí do vnitřního prostoru vozidla, kde se dělí na větev plnění, ukončenou plnicím ventilem (14), a na větev

   5 dodávky paliva s uzavíracím ventilem (17) na jejím vstupu, ukončenou ve směšovací (4) na vstupu do motoru.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že z tlakového zásobníku (6) je do vnitřního prostoru vozidla vedeno jediné hlavní tlakové potrubí.
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že knosnému rámu (1) ío jsou otočně připevněna dvě souměrně uspořádaná křídla krytu (10) tlakového zásobníku (6) s rovinou vyklápění v podélné ose vozidla.
4. 4. Zařízení podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se t í m , že hlavní tlakové potrubí, navazující na spojovací potrubí tlakových nádob, je vedeno v ochranném zakrytování po střeše vozidla a svedeno do motorového prostoru vozidla svislým sloupkem rámu jeho karoserie.

   15
5. 5. Zařízení podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že nosný rám (1) je z hliníkové slitiny aje připevněn prostřednictvím nosných konzol (2) k ocelovým obloukům (3) rámu střechy vozidla, tvořeným profily tvaru T.
6. 6. Zařízení podle některého z nároků 3 až 5, vyznačující se tím, že kryt (10) je z plastu, svým tvarem, včetně předního a zadního čela, aerodynamicky navazuje na karoserii

   20 vozidla, přičemž je opatřen větracími otvory.
7. 7. Zařízení podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že tlakové nádoby jsou z kompozitu, vyztuženého uhlíkovými vlákny, kde každá z nich je opatřena kní připevněnou pádovou pojistkou (9), tvořenou nádobou s kapalinou, a ventilem (7) s bezpečnostním nadprůtokovým ventilem (
8. 8).

   25 8. Zařízení podle některého z nároků laž7, vyznačující se tím, že hlavní tlakové potrubí a spojovací potrubí tlakových nádob jsou z oceli a jsou opatřeny tepelně izolačním pláštěm, přičemž hlavní tlakové potrubí má vnitřní průměr v oblasti 12 mm.
9. 9. Zařízení podle některého z nároků laž8, vyznačující se tím, že za plnicím ventilem (14) opatřenému manometrem (15), je osazen filtr (13) hrubých nečistot.

   30
10. 10. Zařízení podle některého z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že mezi uzavíracím ventilem (17) a směšovačem (4) jsou za sebou ve směru toku paliva osazeny tlakový snímač (18), regulátor (19) tlaku zemního plynu a j emný čistič (5) paliva.
11. 11. Zařízení podle některého z nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že vozidlem je autobus.