PL227932B1 - Urządzenie do rozprężania i precyzyjnej regulacji ciśnienia gazu LPG - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do rozprężania i regulacji ciśnienia gazu LPG, zwłaszcza do zasilania paliwem gazowym silnika spalinowego wewnętrznego spalania, szczególnie paliwem LPG.

W znanych układach zasilających silniki paliwami LPG, CNG, wodorem oraz innymi gazami palnymi, gaz ze zbiornika przepływa przez reduktor ciśnienia lub reduktor-parownik w przypadku gazu LPG. Gaz o zredukowanym ciśnieniu zostaje podany do kolektora dolotowego silnika, wymieszany z powietrzem i przesłany do cylindrów silnika.

W układach zasilania paliwem silników spalinowych, gdzie ilość paliwa jest dozowana przez gaźnik, system wtrysku jednopunktowego lub wielopunktowego a zasilanyc h gazem reduktor-parownik jest zazwyczaj podłączony do kolektora dolotowego silnika poprzez przewód doprowadzający oraz urządzenie mieszające powietrze z gazem. Tego typu układy zasilające zazwyczaj mają tę wadę, że nieprecyzyjnie odmierzają ilość paliwa, a tym samym nie uzyskują stosunku stechiometrycznego, przez co gazy wydechowe zawierają niedopuszczalne ilości substancji szkodliwych, a zużycie paliwa jest wysokie.

Znane są układy zasilania gazem, w których gaz z reduktora przesyłany jest do urządzenia dawkującego podłączonego do kolektora dolotowego silnika przy pomocy odpowiednich elastycznych przewodów tak, aby cały układ można było w prosty sposób zamontować jako drugi układ zasilania do istniejącego silnika zasilanego paliwem ciekłym.

Dotychczas produkowane urządzenia rozprężania i regulacji ciśnienia gazu do silników spalinowych posiadają dwie podstawowe wady. Pierwsza to zbyt duża histereza ciśnienia, nie pozwalająca na precyzyjne ustalanie dawki gazu do silnika w czasie rzeczywistym skutkująca nierównomierną ilością gazu podawaną do cylindra silnika powodująca niedostosowanie tych układów do obecnych norm zanieczyszczenia spalin. Druga wada to brak stabilizacji temperaturowej pracy urządzenia.

Urządzenie według wynalazku, zasilające gazem silnik wewnętrznego spalania, posiada układ wstępnego podgrzewania sprężonego gazu cieczą z układu chłodzenia silnika, przynajmniej jeden zawór elektromagnetyczny sterowany tak, by podawał gaz do wielostopniowej komory rozprężającej ogrzewanej cieczą z układu chłodzenia silnika, przy czym zawór elektromagnetyczny zawiera kolektor gazowy oraz przynajmniej jeden otwór wylotowy dla wspomnianego paliwa gazowego, odpowiednią uszczelkę ruchomą, która przenoszona jest przez zworę uruchamianą przy pomocy odpowiadającej jej cewce elektromagnesu w celu połączenia kolektora wlotowego z przewodem wylotowym, która to zwora ma formę walca i posiada płaską powierzchnię oporową utworzoną na czole walca, oraz element elastyczny, działający na zworę z określoną z góry siłą sprężystości, wystarczającą do normalnego utrzymania uszczelki w pozycji zamykającej otwór wylotowy w przypadku braku zasilania elektromagnesu. Reduktor-parownik zamknięty jest w obudowie składającej się z korpusów połączonych między sobą w sposób nieprzepuszczający gazu, przy czym jeden z korpusów posiada kolektor wlotowy gazu oraz otwór połączony z układem chłodzenia silnika i mieści otwór wylotowy, a drugi korpus mieści komorę rozprężną i kolektor wylotowy ogrzewany cieczą z układu chłodzenia silnika. Korzystnie, gdy otwór wylotowy posiada skalibrowane dysze przymocowane w sposób nie pozwalający na ich demontaż z korpusu.

W szczególnym przykładzie wykonania reduktor-parownik posiada przynajmniej dwa elektrozawory sterujące odpowiadającymi im dwoma dyszami wylotowymi, które, są zasadniczo równoległe do siebie, a kolektor rozprężny reduktora-parownika posiada otwór połączony z otworem wlotowym wtryskiwaczy, które połączone są z odpowiednimi cylindrami silnika. Kolektor rozprężający jest połączony z korpusem, w którym są elektrozawory, poprzez przewody rozprężne, a ponadto kolektor posiada skalibrowane złącze wylotowe, pozwalające na zastosowanie urządzenia do każdego typu silnika. W celu zwiększenia uniwersalności urządzenia według wynalazku wspomniane złącze wylotowe może mieć dysze o różnych średnicach wewnętrznych i zewnętrznych.

W celu zwiększenia efektywności urządzenia według wynalazku elektrozawory są sterowane selektywnie i fazami przez odpowiadające im impulsy o modulowanej szerokości (PWM) generowane przez elektroniczny zespół sterujący na podstawie sygnałów opisujących sposób pracy silnika. Pod pojęciem modulacji szerokości impulsu (w skrócie PWM od ang. Pulse-Width Modulation) rozumie się znaną metodę regulacji sygnału prądowego lub napięciowego, polegającą na zmianie szerokości impulsu, która używana jest we wzmacniaczach, zasilaczach impulsowych oraz układach sterujących pracą silników prądu stałego.

PL 227 932 B1

Układ PWM zasila urządzenie według wynalazku bezpośrednio lub przez filtr dolnoprzepustowy, który uśrednia napięcie w jednym takcie PWM. Po takcie zegara sygnał wyjściowy jest ustawiany w stan wysoki na czas proporcjonalny do wartości danej sterującej.

Zastosowanie tej metody w urządzeniu według wynalazku stanowi nową cechę wynalazku i zmniejsza znacznie straty mocy w układzie regulacyjnym oraz gwarantuje dużą dokładność sterowania urządzeniem. Urządzenie według wynalazku może posiadać zawory, sterowane przez elektroniczny zespół sterujący, z częstotliwością warunkowaną częstotliwością i czasem otwarcia wtryskiwaczy kolejnych cylindrów silnika.

Urządzenie według wynalazku charakteryzuje się stabilnym dozowaniem paliwa z nierównomiernością z histerezą poniżej 0.3 kPa oraz stabilizacją temperatury pracy w zakresie 30°C.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania na załączonych rysunkach na których fig. 1 przedstawia uproszczony schemat układu zasilającego silnik spalinowy, zawierającego urządzenie według wynalazku, podające gaz do wtryskiwaczy wtryskujących gaz do kolektora dolotowego silnika, zaś fig. 2 ukazuje pionowy przekrój poprzeczny urządzenia według wynalazku wykonany w osi zaworu elektromagnetycznego.

Fig. 1 pokazuje uproszczony schemat układu zasilającego paliwem gazowym, takim jak LPG, CNG, wodór itp., silnik spalinowy, np. silnik Otta 1, który może być czterocylindrowy, z każdym cylindrem zasilanym mieszanką paliwowo-powietrzną tworzoną w każdym z kanałów kolektora dolotowego

2. Powietrze do kolektora dolotowego 2 doprowadzane jest przez wlot powietrza A z komory filtru powietrza (nie pokazanej na rysunku). Układ zasilania gazem składa się z reduktora-parownika gazu 3 połączonego przy pomocy przewodu 4 ze zbiornikiem gazu (nie pokazanym na rysunku).

Reduktor ciśnienia wskazany ogólnie jako 3 jest podłączony przy pomocy przewodu zasilającego 5 do urządzenia zasilającego silnik paliwem gazowym wskazanego ogólnie jako 6 i dostarczającego paliwo gazowe do odpowiednich cylindrów silnika 1 na przykład przy pomocy czterech elastycznych przewodów łączących 7, każdy podłączony za pomocą łącznika 8 do odpowiedniego kanału dolotowego kolektora dolotowego 2. Urządzenie zasilające 6 jest podłączone za pomocą wiązki przewodów 9 do elektronicznego zespołu sterującego 10, które w funkcji sygnałów odpowiadających znaczącym wartościom operacyjnym silnika 1, takim jak prędkość obrotowa silnika, moment obrotowy, pozycja pedału przyspieszenia, temperatura zewnętrzna, temperatura wody chłodzącej sygnały z sondy lambda itd. wtryskuje ściśle odmierzoną dawkę paliwa dla każdego z cylindrów. Elektroniczne urządzenie sterujące 10 zapewnia także niezbędne sygnały elektronicznemu urządzeniu sterującemu pracą reduktora parownika 11 podłączonemu wiązką przewodów 12.

Dla każdego silnika 1 reduktor-parownik 3 zawiera osobny, co najmniej jeden zawór elektromagnetyczny (pokazany w przekroju fig. 2). Zawór znajduje się w korpusie 13 połączonym z korpusem 14 w znany sposób wzdłuż wybrania (Z) z wprowadzoną pomiędzy nie uszczelką 15. W tym szczególnym przypadku korpus 14 jest zamknięty pokrywą 16 w znany sposób wzdłuż wybrania (Y) z wprowadzoną pomiędzy nie uszczelką 15. Korpus 13 zawiera kolektor gazowy (B) przyłączony za pomocą łącznika do przewodu zasilającego 04 łączącego reduktor-parownik 3 ze zbiornikiem paliwa (nie pokazany na rysunku). Przewód zasilający 4 na wejściu do reduktora-parownika jest wprowadzony do komory (C) wstępnego podgrzewania płynnego gazu, gdzie gaz zawarty w przewodzie 4 jest wstępnie podgrzewany cieczą z układu chłodzenia silnika doprowadzoną wlotem (D) i wypływającą wylotem (E) do wlotu (F) reduktora-parownika połączonych w znany sposób.

Korpus 13 zawiera przynajmniej jeden elektromagnes sterujący (G), który składa się z rdzenia wykonanego z materiału magnetycznego oraz z cewki elektrycznej 19. Rdzeń 18 jest przymocowany do jarzma 20 wykonanego z materiału magnetycznego i umocowanego na zewnątrz cewki elektrycznej 19 w znany sposób. Rdzeń 18 wraz z tuleją zwory 21 tworzy komorę (H) zwory elektromagnesu 22.

Korpus 13 tworzy wraz z zaworem elektromagnetycznym (G) komorę (I), połączoną z kolektorem gazu (B) i otworem wylotowym (J) tworzącą system przepływu gazu i opisanego w dalszej części. Komora (I) zawiera w sobie ruchomą uszczelkę 23 dla przewodu wylotowego (J), która ma kształt krążka wykonanego z materiału elastomerowego i jest poruszana w znany sposób przez zworę elektromagnesu 22. Mówiąc dokładniej, zwora elektromagnesu 22 ma zainstalowaną płaską uszczelkę 23, której powierzchnia jest skierowana prostopadle do osi dyszy (K) i otworu wylotowego (J).

Korpus 14 tworzy komorę (L) podłączoną do układu chłodzenia silnika poprzez otwór (F). Komora (L) zawiera w sobie wielostopniowy układ rozprężny gazu tworzony przez przewody rozprężne 24 i 25, kolektor rozprężny 26 oraz podłączony w znany sposób kolektor grzewczy 27 rozprężonego

PL 227 932 B1 gazu. Korpus 13, przewody rozprężne 24 i 25, kolektor rozprężny 26, kolektor grzewczy 27 rozprężonego gazu tworzą komory rozprężno grzewcze (M, N, O, P) o stopniowo zwiększanych przekrojach stanowiące kolejne stopnie rozprężania i wymiany ciepła.

Kolektor rozprężny 26 jest przymocowany do korpusu 13 poprzez przewody rozprężne 24, 25 i odbiera gaz, z co najmniej jednego otworu wylotowego (J). Kolektor rozprężny 26 posiada przyłącze (R) w celu połączenia z komorą (P) ogrzewaną cieczą z układu chłodzenia silnika stabilizującej temperaturę gazu w fazie lotnej. Komora (P) zaopatrzona jest również w nagwintowany otwór (S), w który wkręca się dyszę 28 do podłączenia przewodu 05 łączącego reduktor-parownik 3 z urządzeniem dawkującym gaz 6 do silnika 1. Zaletą wynalazku jest, że dysza wylotowa z kolektora grzewczego 28 zamocowana w otworze (S) jest tak skalibrowana, że nie wymaga wymiany dla określonej grupy typów silnika.

Kolektor grzewczy 27 na wyjściu z reduktora-parownika 3 jest wprowadzony do komory (T) podgrzewania odparowanego/rozprężonego gazu, gdzie gaz zawarty w przewodzie 27 jest podgrzewany cieczą z układu chłodzenia silnika doprowadzoną wlotem (U) z komory (L) reduktora-parownika, a następnie wypływającą wylotem (U) do układu chłodzenia silnika 1, połączonego w znany sposób.

Zaleta urządzenia według wynalazku polega na dostarczaniu do silnika 1 gazu w stabilnej temperaturze dzięki wielostopniowemu rozprężaniu gazu w komorach (M, N, O) przy jednoczesnym wieloetapowym dostarczaniu energii cieplnej niezbędnej temu procesowi pochodzącej z cieczy chłodzącej silnik 1. Dostarczanie energii cieplnej rozpoczyna się w fazie ciekłej LPG w komorze (C), w trakcie rozprężania gazu w komorach (M, N, O), a następnie po rozprężeniu w komorze (P).

Zaletą urządzenia według wynalazku jest również to, że otwór wylotowy (J) zaworu elektromagnetycznego (G) (fig. 2) zawiera skalibrowaną dyszę (Q) wykonaną w trwały sposób wspólnie z korpusem 13, który uniemożliwia jakąkolwiek zmianę dyszy przez użytkownika, a tym samym zmianę kalibracji fabrycznej.

Kalibrowana dysza (Q) jest tak zmontowana, żeby wystawała ponad powierzchnię korpusu 13. Dysza ma zaokrągloną promieniem powierzchnię styku z uszczelką tak, że pod działaniem siły wywoływanej przez element elastyczny 29 działający z określoną siłą na zworę 22 tak, że uszczelka 23 zamyka wylot gazu - przez co pełni rolę uszczelnienia gazoszczelnego w czasie, gdy zawór elektromagnetyczny jest w stanie beznapięciowym.

Zaletą urządzenia według wynalazku jest również to, że reduktor-parownik 3, jaki zasila silnik 1, mieścić może w sobie, więcej niż jeden osobny elektromagnes (G) (fig. 2). Elektromagnesy zasadniczo są identyczne i znajdują się w jednej obudowie określonej przez korpusy 13, 14 i pokrywę 16. Elektromagnesy (G) umieszczone są w jednym korpusie 13 i otrzymują gaz z tej samej magistrali (B), umieszczonej w korpusie 13, ale każdy z nich ma przypisany osobny przewód wylotowy (J), a także osobną, odpowiadającą mu skalibrowaną dyszę (Q).

Zaleta wynalazku polega również na tym, że skalibrowane dysze (Q) mają różne średnice dla spowodowania różnego przepływu gazu w zależności od potrzeb silnika. Elektroniczny zespół sterujący 11 uruchamia zawory elektromagnetyczne, w zależności od warunków pracy silnika 1 oraz generuje impulsy sterownicze o modulowanej szerokości, aby uzyskać sterowanie elektromagnesami (G) przy pomocy modulacji szerokości impulsu (PWM). W związku z tym elektroniczny zespół sterujący 11 otwiera uszczelki 23 na zmienny okres czasu w ramach utrzymania zadanego ciśnienia i zapotrzebowania na paliwo silnika 1, przez co praca tegoż silnika jest prawidłowa.

Korpus 13 posiada kolektor (B) równoległy do płaszczyzny podziału korpusów 13, 14 i pokrywy 16 oraz jeden lub więcej otworów dystrybucyjnych prostopadłych do osi zaworu elektromagnetycznego (G) doprowadzających gaz do komory (I). Kolektor (B) podłączony jest do przewodu zasilającego (04) (fig. 1) biegnącego od zbiornika paliwa (nie uwidocznionemu w opisie). Przewody rozprężne gazu połączone są z komorą (O), wspólną dla wszystkich zaworów elektromagnetycznych.

Korpus 13 jest połączony za pomocą śrub 30 z korpusem 14 wzdłuż wybrania (Z) i uszczelniony uszczelką 15 i w tym szczególnym wykonaniu jest zamknięty pokrywą 16 za pomocą śrub 30 wzdłuż wybrania (Y) z wprowadzoną pomiędzy nie uszczelką 15. Korpus 13 stanowi podstawę dla dysz (Q) otworów wylotowych (J) poszczególnych zaworów elektromagnetycznych (G).

Cała konstrukcja zawiera również korpus kolektora zbiorczego 26 przymocowanego poprzez przewody rozprężne 24, 25 do korpusu 13 za pomocą przyłączy (X), posiada ona dwa otwory wylotowe (J), każdy do odbierania gazu dostarczanego przez odpowiadający mu zawór elektromagnetyczny (G). Reduktor-parownik połączony jest z przewodem 5, prowadzącym do urządzenia dawkującego 6 poprzez dyszę 28, a każda dysza jest skalibrowana tak, aby można ją było dostosować do przepływu dla każdego typu silnika.

PL 227 932 B1

Urządzenie 3 według wynalazku wykazuje szereg przedstawionych powyżej w opisie korzystnych cech konstrukcyjnych i użytkowych, niespotykanych w znanych urządzeniach tego typu. W szczególności wielostopniowe rozprężanie gazu zapewnia lepszą wymianę ciepła pomiędzy rozprężającym się gazem a cieczą z układu chłodzenia silnika, a tym samym zapewnia większą stabilność temperatury gazu mniej podatną na wahania zależne od poboru gazu przez silnik (01). Co więcej, wszelka tolerancja produkcji czy montażu części składowych, w szczególności korpusów 13, 14 oraz pokrywy 16 nie ma wpływu na zaprojektowaną wydajność urządzenia.

Zastosowanie zaworów elektromagnetycznych sterowanych elektronicznie upraszcza produkcję urządzenia. Zastosowanie w konstrukcji więcej niż jednego elektromagnesu (G) do sterowania odpowiednio wydatkiem gazu z dysz (Q) zasilającymi każdy cylinder silnika 1 zapewnia większą elastyczność pracy silnika 1. Zastosowanie niewymiennych dysz (Q) znakomicie zwiększa okres eksploatacji urządzenia według wynalazku. Wreszcie wspólne umiejscowienie zaworów w jednej obudowie również przyczynia się do większej zwartości urządzenia oraz redukcji kosztów jego produkcji.

Oczywiście możliwe jest dokonywanie zmian w opisanym tutaj urządzeniu według wynalazku bez zmiany zakresu zastrzeżeń patentowych. Zmiany na przykład mogą zostać wprowadzone w formie zaworu elektromagnetycznego oraz odpowiednich komór grzewczych mogących mieć inną formę.

Urządzenie 3 może mieć budowę modułową, pozwalającą otrzymać urządzenie obejmujące zmienną liczbę modułów, natomiast końce przewodów wlotowych i wylotowych dostarczanych mediów mogą być tak zaprojektowane, by łączyć się z odpowiednimi przewodami w znany sposób.

Reduktor-parownik 3 każdego silnika może również być wyposażony w więcej niż dwa elektromagnesy (G), które z kolei mogą być ułożone w dowolny sposób w obudowie. W urządzeniach zasilających silniki wewnętrznego spalania zawory elektromagnetyczne oraz elektromagnesy można ułożyć w dowolnej konfiguracji.

PL 227 932 Β1

Wyniki testów

RPM [obrlmlnj wykres 1

Ciśnienie g»2u w odniesieniu do czasu wtrysku gazu

1.5 •C 1.45 £. 1.4 g> 1 35 £ 13 g 1.25 3. 1.2 * 115 & ¹·¹ I 1.05 v 1 S 0-95 c 0.9 G 0 95 0.9

C?a« wtrysku gazu Twg [ma] wy wykres 2

Temperatura gazu w odniesieniu do obrotów silnika

RPM [obnmln] wykres 3

PL 227 932 Β1

Claims (1)

1. Urządzenie do rozprężania i precyzyjnej regulacji ciśnienia gazu, zwłaszcza gazu LPG w samochodach, w skład którego wchodzą komory ogrzewane płaszczem wodnym oraz co najmniej jeden zawór rozprężny reduktoro-parownika, znamienne tym, że posiada czujnik ciśnienia rozprężonego gazu i co najmniej jeden zawór elektromagnetyczny sterowany mikroprocesorowo na podstawie sygnału z czujnika ciśnienia oraz komorę o stopniowym zwiększaniu przekroju przepływu wykorzystującą efekt zwężki Venturiego oraz prawo Bernoulliego do kolejnych stopni rozprężania i podgrzewania gazu.