Маслоотделитель для работающих на газовом топливе двигателей внутреннего сгорания - RU2442012C2

Чертежи

Описание

Данное изобретение касается области транспортных средств и относится к маслоотделителю для работающих на газовом (газообразном) топливе двигателей внутреннего сгорания.

В настоящее время для эксплуатации работающих на газовом топливе транспортных средств используются преимущественно так называемые сжиженные газы и природный газ. Сжиженные газы, такие как сжиженный газ для питания двигателей внутреннего сгорания (LPG = Liquified Petroleum Gas; сжиженный нефтяной газ), образующиеся в качестве побочного продукта из процессов гидролиза при нефтеочистке, основываются обычно на керосине и состоят, по существу, из пропана и бутана. Природный газ (CNG = Compressed Natural Gas; сжатый природный газ) состоит преимущественно из метана и добывается перекачкой из источников природного газа.

В работающих на природном газе транспортных средствах для хранения большого запаса топлива требуется уплотнять газовое топливо в резервуаре для газа при высоком давлении, например в 200-300 бар. Для эксплуатации двигателя внутреннего сгорания уплотненное газовое топливо следует затем снова разрежать до подходящего более низкого давления газа, в большинстве случаев, до уровня ниже 10 бар и составляющего, например, около 8 бар. Понижение давления газового топлива происходит в присоединенном к подводящему газовое топливо трубопроводу редукторе, из которого разреженный поток газа подводится к соответствующим газовпускным клапанам ("газовым форсункам") для нагнетания во всасывающий тракт двигателя внутреннего сгорания.

Как оказалось на практике, уплотненное до высокого давления газовое топливо часто загрязняется при заправке транспортного средства смазочным маслом, использующимся для заправки компрессора на автозаправочной станции. Причину этого следует находить во все более коротких временных интервалах, между следующими друг за другом заправками, вследствие непрерывно растущего числа работающих на газообразном топливе автомобилей. Это может приводить к тому, что компрессор настолько высоко поднимает рабочую температуру в ступенях высокого давления, что смазочное масло попадает с газовым топливом в резервуар для газа транспортного средства в распыленном состоянии и в газообразной форме, или как аэрозоль.

Если газовое топливо разрежается в редукторе до давления газа, например, 8 бар, то газовое топливо охлаждается во время понижения давления, вследствие чего занесенные масляные компоненты конденсируются и содержатся в жидкой форме или в виде аэрозоли в газовом топливе. Вследствие аэрогидродинамического фактора, занесенное в газовое топливо масло распределяется неравномерно по газовым форсункам, что может приводить к разным расходным характеристикам в газовпускных клапанах и к проблемам в обработке отработавших газов. Из-за этого в данном случае могут не выдерживаться подачи отработавшего газа на всем пути пробега, а при движении возникать неустойчивость транспортного средства. К тому же, существует опасность, что элементы транспортного средства, как, например, катализаторы, будут повреждены. Более того, также наблюдалось склеивание или засмоление газовых форсунок содержащимися в газовом топливе масляными компонентами.

Известно, что для предотвращения этих проблем в подводящем трубопроводе газового топлива между резервуаром для газа и газовыми форсунками в транспортном средстве предусматривают маслоотделитель. Обычно такой маслоотделитель устанавливают на стороне низкого давления редуктора с теми преимуществами, что маслоотделитель должен иметь только нормативное сопротивление против пониженного давления и что на стороне низкого давления редуктора конденсированное масло легче отделять в жидкой форме и соответственно в виде аэрозоли.

Используемые до настоящего времени маслоотделители выполнены таким образом, что газовое топливо протекает через фильтр из нетканого полотна для отделения, таким образом, содержащихся в топливе постоянных масляных компонентов. Однако посредством фильтра из нетканого полотна можно улавливать, по существу, только содержащиеся в газовом топливе в форме аэрозоля масляные компоненты. Содержание большого количества жидкого масла в газовом топливе обычно приводит к быстрому наполнению фильтра из нетканого полотна и к ослаблению действия фильтра. Вследствие существующего потока газа содержащееся в фильтре из нетканого полотна масло может "пробиться" на сторону чистого газа, что может отрицательно сказаться повторным загрязнением газового топлива.

В противоположность этому задача предложенного изобретения состоит в создании маслоотделителя, посредством которого газовое топливо можно надежно и уверенно очищать от масляных компонентов.

Согласно изобретению эта задача решается при помощи маслоотделителя с признаками независимого пункта Формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения раскрыты в признаках зависимых пунктов Формулы изобретения.

Согласно изобретению предлагается маслоотделитель для целей отделения масляных компонентов, содержащихся в газовом топливе, предназначенный и пригодный для подключения к подводящему газовое топливо топливопроводу двигателя внутреннего сгорания, работающего на газовом топливе, в частности к двигателю транспортного средства.

Маслоотделитель содержит корпус с впускным отверстием для (загрязненного масляными компонентами) газового топлива и выпускным отверстием для очищенного газового топлива и с размещенным в корпусе фильтрующим элементом, например фильтром из нетканого полотна, через который может протекать газовое топливо, для фильтрования газового топлива. Фильтрующий элемент расположен с уплотнением между соединенной аэрогидродинамически (с возможностью направления текучей среды) с впускным отверстием входной камерой и соединенной аэрогидродинамически (с возможностью направления текущей среды) с выпускным отверстием выходной камерой. Таким образом, входная камера и выходная камера соединены друг с другом аэрогидродинамически только через фильтрующий элемент, а в остальном они уплотнены относительно друг друга герметично, так что поступающее к фильтрующему элементу с избыточным давлением газовое топливо должно проходить фильтрующий элемент без возможности обвода, чтобы попасть из входной камеры со стороны втекания в выходную камеру со стороны вытекания. Впускное отверстие впадает во входную камеру, так что (загрязненное масляными компонентами) газовое топливо может подаваться к фильтрующему элементу. Для этого впускное отверстие присоединяется к подводящему топливопроводу системы двигателя внутреннего сгорания. Очищенное газовое топливо в выходной камере направляется из маслоотделителя через выпускное отверстие.

Кроме того, согласно изобретению маслоотделитель содержит первый маслосборник, выполненный во входной камере в направлении силы тяжести ниже соединенного аэродинамически с впускным отверстием устья для подачи газового топлива во входную камеру и служащий для приема масла, отделенного из газового топлива во входной камере посредством гравитационной сепарации. В соответствии с этим, первый маслосборник расположен таким образом, что он может собирать отделенные масляные компоненты газового топлива посредством гравитационной сепарации. Для создания благоприятных условий для гравитационной сепарации, втекающее через впускное отверстие во входную камеру газовое топливо предпочтительно разворачивают таким образом, что направленная против направления силы тяжести векторная составляющая (векторного) потока газа увеличивается.

Это позволяет предпочтительным способом сепарировать во входной камере отделяемые масляные компоненты из проходящего газового топлива посредством гравитационной сепарации и улавливать в маслосборнике, прежде чем газовое топливо достигнет фильтрующего элемента. Входная камера действует как "ловушка масла" для содержащихся в газовом топливе масляных компонентов.

В предпочтительном варианте выполнения предложенного маслоотделителя, он дополнительно содержит второй маслосборник, выполненный в выходной камере в направлении силы тяжести ниже устья, соединенного аэрогидродинамически с выпускным отверстием и служащий для приема выходящего в выходной камере из фильтрующего элемента масла. Таким образом, посредством второго маслосборника можно собирать предпочтительным способом выходящее из фильтрующего элемента масло, если он больше не в состоянии удерживать отфильтрованное от топлива масло. Повторное загрязнение газового топлива можно предотвратить. Второй маслосборник может быть помещен, в частности, внутри первого маслосборника.

В следующем предпочтительном выполнении предложенного маслоотделителя он выполнен в виде модуля. Маслоотделитель содержит в этом выполнении фильтрующий модуль, содержащий фильтрующий элемент, соединительный модуль, содержащий впускное отверстие и выпускное отверстие, а также содержащий оба маслосборника маслособирающий модуль, причем фильтрующий модуль и маслособирающий модуль прикреплены соответственно к соединительному модулю с возможностью разъединения. Маслоотделитель такой конструкции - в виде модуля, можно совсем просто устанавливать, например, в транспортном средстве. Для этого необходимо всего лишь установить в транспортном средстве соединительный модуль, присоединить к подводящему газ топливопроводу двигателя внутреннего сгорания, а затем закрепить в соединительном модуле фильтрирующий модуль и маслособирающий модуль. Так же совсем несложно можно проводить и обслуживание маслоотделителя в соответствии с заданной периодичностью технического обслуживания, так как имеется возможность при установленном соединительном модуле снимать и снова устанавливать фильтрирующий модуль и/или маслособирающий модуль для замены фильтрующего элемента или опорожнения маслосборника.

Кроме того, изобретение распространяется на систему двигателя внутреннего сгорания, в частности, для приведения в движение транспортного средства, содержащую работающий на газовом топливе двигатель внутреннего сгорания, редуктор для уменьшения давления подведенного к двигателю внутреннего сгорания газового топлива, соединенного с возможностью направления текучей среды со стороны высокого давления посредством топливопровода по меньшей мере с одним резервуаром для хранения газового топлива и со стороны низкого давления посредством топливопровода по меньшей мере с одним регулируемым газовпускным клапаном для регулировки газового потока подведенного к двигателю внутреннего сгорания газового топлива, а также описанный выше маслоотделитель, причем маслоотделитель предпочтительно присоединен к топливопроводу со стороны низкого давления.

Кроме того, изобретение касается транспортного средства с описанной выше системой двигателя внутреннего сгорания.

Далее приводится более подробное описание изобретения посредством одного примера выполнения, причем ссылка делается на приложенный чертеж. На чертеже показана конструкция предложенного примера выполнения маслоотделителя в системе двигателя внутреннего сгорания, например автомобиля, схематичное изображение.

Согласно изображению, система двигателя внутреннего сгорания, установленная, предпочтительно, на автомобиле, содержит: обозначенный везде позицией 1, схематично показанный на чертеже маслоотделитель согласно изобретению, соединенный с возможностью направления текучей среды со стороны входа посредством топливопровода 2 с выходом редуктора 3.

Под редуктором 3 речь может идти, например, о многоступенчатом редукторе, имеющем множество соединенных друг с другом посредством соответствующих мембранных редукционных клапанов камер сжатия: например, камеру высокого давления - со стороны входа, камеру низкого давления - со стороны выхода и расположенную между ними камеру сжатия промежуточного давления, в которых регулируемо посредством мембранных редукционных клапанов устанавливается высокое, низкое, а также промежуточное давление газа. Тем не менее, такой редуктор может иметь также другое количество ступеней давления. Специалисту известна конструкция такого редуктора, так что в данном случае другие комментарии являются излишними.

Редуктор 3 присоединен на своей стороне высокого давления через топливопровод 4 к запорному клапану 5 высокого давления, посредством которого может перекрываться подведенный к редуктору 3 поток газового топлива. Запорный клапан 5 высокого давления может быть выполнен, например, в виде основного клапана со встроенным пилотным клапаном, причем пилотный клапан выполнен таким образом, что имеется возможность управления им при помощи электромагнита от подаваемой от электрической бортовой сети, например, автомобиля электроэнергии. C этой целью открывающаяся поверхность основного клапана выполнена существенно больше, чем открывающаяся поверхность пилотного клапана, так что через открытый основной клапан может соответственно транспортироваться больший поток газа, чем через открытый пилотный клапан. В соответствии с этим для открытия пилотного клапана требуется меньше усилия, чем для открытия основного клапана. Специалисту известна конструкция такого запорного клапана высокого давления, так что дальнейшие комментарии в данном случае являются излишними.

Запорный клапан 5 высокого давления соединен со стороны входа посредством газового топливопровод 6 с резервуаром 7 для газа. Резервуар 7 для газа обычно снабжен отдельным запорным клапаном, от которого ответвляется топливопровод 6, соединенный со стороны входа с запорным клапаном 5 высокого давления.

Со стороны выхода маслоотделитель 1 присоединен к топливопроводу 30, входящему в обозначенный в общем как "рейл" магистраль 8 для газового топлива. В конце магистрали 8 для газового топлива расположено множество (на чертеже, например, четыре) регулируемых газовых форсунок 9 (газовпускных клапанов), посредством которых газовое топливо может нагнетаться во всасывающий тракт двигателя внутреннего сгорания, что не показано более подробно на чертеже. Количество газовых форсунок зависит от числа цилиндров двигателя внутреннего сгорания, и только для полноты понимания следует заметить, что количество газовых форсунок не ограничено числом четырех, а зависит от специального конструктивного выполнения двигателя внутреннего сгорания.

Представленный на чертеже маслоотделитель 1 выполнен в виде модуля. Он состоит из фильтрующего модуля 10, соединительного модуля 11 и маслособирающего модуля 12. Фильтрирующий модуль 10 и маслособирающий модуль 12 соответственно прикреплены к соединительному модулю 11, например, посредством соответствующих резьбовых соединений с возможностью разъединения. Таким образом, три модуля образуют вместе маслоотделитель 1. Только для полноты понимания следует подчеркнуть, что модули могут также соединяться друг с другом с помощью других способов крепления, например посредством подпружиненного запора с защелкой или запора с фиксатором.

Соединительный модуль 11 присоединен к топливопроводу 2 посредством проходящего через его боковую стенку корпуса впускного отверстия 17. Устье 18 впускного отверстия 17 впадает в образованную соединительным модулем 11 полость 14. Полость 14 соединена посредством выполненных в стенке корпуса соединительного модуля 11 отверстий 15 с возможностью направления текучей среды с полостью 16, образованной фильтрирующим модулем 10. В фильтрирующем модуле 10 размещен выполненный в виде полого цилиндра фильтрующий элемент 19, разделяющий полость 16 на внешней стороне фильтрующего элемента 19 от полости 20 внутри фильтрующего элемента 19.

В полость 20 выступает соединительный патрубок 13, образующий одним своим концом устье 21 для приема очищенного газового топлива, а другим своим концом соединенный с проходящим стенку соединительного модуля 11 выпускным отверстием 29, подключенным со своей стороны к топливопроводу 30 (на чертеже показан как проходной топливопровод).

Маслособирающий модуль 12, установленный на соединительном модуле 11, на его нижней стороне, формирует своим корпусом первый (внешний) маслосборник 22, во внутренней части которого помещен второй (внутренний) маслосборник 23. Внешний маслосборник 22 соединен с возможностью направления текучей среды посредством образованных в стенке со стороны дна соединительного модуля 11 отверстий 24 с полостью 14, образованной соединительным модулем 11. В этом отношении сформированная соединительным модулем 11 полость 14, которая образует сформированную фильтрирующим модулем 10 на внешней стороне фильтрующего элемента 19 полость 16, а также внешний маслосборник 22 формируют вместе входную камеру, находящуюся на стороне втекания потока ("стороне загрязненного газа") фильтрующего элемента 19, в то время как сформированная на внутренней стороне фильтрующего элемента 19 полость 20 формирует находящуюся на стороне вытекания потока ("стороне чистого газа") выходную камеру.

Отверстия 24 расположены в направлении силы тяжести глубже, чем устье 18 впускного отверстия 17, так что масляные компоненты, отделенные из проникающего в полость 14 газового топлива при помощи силы тяжести, могут протекать через отверстия 24 во внешний маслосборник 22. Внутренний маслосборник 23 соединен с возможностью направления текучей среды с полостью 20 посредством выступающей в нее соединительной трубки 25. Устье 26 соединительной трубки 25 находится в направлении силы тяжести глубже, чем устье 21 соединительного патрубка 13, так что вытекающее из фильтрующего элемента 19 масло может стекать через соединительную трубку 25 во внутренний маслосборник 23, не загрезняя при этом очищенное газовое топливо. В смонтированном положении модуля фильтра оба маслосборника 22, 23 соединены друг с другом аэрогидродинамически только через фильтрующий элемент 19, чтобы предотвратить обход фильтрующего элемента 19 потоком газа (короткого замыкания потока).

Далее приводится описание принципа действия маслоотделителя 1. Газовое топливо, втекающее в маслоотделитель 1 через топливопровод 2 с низким давлением газа, например, около 8-10 бар сначала поступает в образованную соединительным модулем 11 полость 14, затем поворачивается примерно на 90° против направления силы тяжести и поступает посредством прохождения отверстий 15 в полость 16, образованную фильтрирующим модулем 10 на внешней стороне фильтрующего элемента 19. По существу, в полости 14, под действием силы тяжести, отделяются жидкие масляные компоненты газового топлива, собирающиеся в виде лужи 28 масла в самом глубоком месте, например, на дне внешнего маслосборника 22. Сепарации жидких масляных компонентов из газового топлива способствует поворот направления движения потока примерно на 90°, так что втекающее газовое топливо вынуждено протекать против направления силы тяжести. Поскольку маслоотделитель 1 расположен на стороне низкого давления редуктора 3, на подводе газа к двигателю внутреннего сгорания, то легче отделять масленые компоненты, уже конденсированные в потоке газового топлива.

Затем газовое топливо протекает по фильтрующему элементу 19, вследствие чего улавливаются содержащиеся в газовом топливе, в частности в форме аэрозоли, масляные компоненты, и попадает в полость 20 на внутренней стороне фильтрующего элемента 19. Оттуда очищенное газовое топливо подводится через соединительный патрубок 13 в топливопровод 30, питающий газовые форсунки 9. Если фильтрующий элемент 19 наполнен, то задержанное масло транспортируется посредством существующего потока газового топлива на сторону чистого газа, то есть в полость 20 на внутренней стороне фильтрующего элемента 19, откуда оно может стекать через соединительную трубку 25 во внутренний маслосборник 23. В маслосборнике 23 масло собирается в луже 28 масла в самом глубоком месте, например на дне маслосборника 23.

Перечень ссылочных обозначений

1 Маслоотделитель

2 Топливопровод

3 Редуктор

4 Топливопровод

5 Запорный клапан высокого давления

6 Топливопровод

7 Резервуар для газа

8 Рейл

9 Газовая форсунка

10 Фильтрирующий модуль

11 Соединительный модуль

12 Маслособирающий модуль

13 Соединительный патрубок

14 Полость

15 Отверстие

16 Полость

17 Впускное отверстие

18 Устье

19 Фильтрующий элемент

20 Полость

21 Устье

22 Маслосборник

23 Маслосборник

24 Отверстие

25 Соединительная трубка

26 Устье

27 Лужа масла

28 Лужа масла

29 Выпускное отверстие

30 Топливопровод

Реферат

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания и маслоотделителю для отделения масляных компонентов, содержащихся в газовом топливе. Технический результат направлен на создание маслоотделителя, посредством которого газовое топливо можно надежно и уверенно очищать от масляных компонентов. Маслоотделитель для отделения масляных компонентов, содержащихся в газовом топливе, для подключения к топливопроводу двигателя внутреннего сгорания, работающего на газовом топливе, содержит корпус с впускным отверстием и выпускным отверстием для газового топлива, размещенный в корпусе фильтрующий элемент, выполненный с возможностью прохождения через него газового топлива и расположенный с уплотнением между входной камерой, соединенной аэрогидродинамически с впускным отверстием, и выходной камерой, соединенной аэрогидродинамически с выпускным отверстием, выполненный во входной камере в направлении силы тяжести ниже соединенного аэрогидродинамически с впускным отверстием устья для подачи газового топлива во входную камеру первый маслосборник для приема масла, отделенного из газового топлива во входной камере посредством гравитационной сепарации. Система двигателя внутреннего сгорания, в частности для приведения в движение транспортного средства, содержит работающий на газовом топливе двигатель внутреннего сгорания, редуктор для уменьшения давления газового топлива, подаваемого к двигателю внутреннего сгорания, соединенный с возможностью направления текучей среды со стороны высокого давления посредством топливопровода по меньшей мере с одним резервуаром дл�

Формула