регулятор давления газа

Формула изобретения

Регулятор давления газа, содержащий корпус с полостями высокого и низкого давлений, полостями разгрузочного устройства, дозирующего экономайзерного устройства и атмосферного давления с размещенными в них чувствительными элементами, нагруженными уравновешивающими пружинами, и регулирующие устройства давления газа, отличающийся тем, что полость высокого давления в верхней своей части выполнена в виде цилиндрической расточки, внутри которой с образованием внутренней полости цилиндрической расточки размещен чувствительный элемент, изготовленный в виде золотника, на наружной цилиндрической поверхности которого выполнена кольцевая выточка с радиальными каналами, а по оси - осевой канал, примыкающий к радиальным каналам, золотник снабжен нажимной пружиной и регулировочным винтом, установленным в крышке, внутренняя полость цилиндрической расточки примыкает к полости высокого давления, надзолотниковое пространство снабжено отверстием для сообщения с нагнетательным воздушным трубопроводом, полость низкого давления выполнена в виде цилиндрической расточки с верхней и нижней крышками и с внутренней цилиндрической перегородкой, разделяющей упомянутую полость на две полости - верхнюю, являющуюся основной полостью низкого давления, и нижнюю цилиндрическую полость, в перегородке и в нижней цилиндрической полости выполнены цилиндрические расточки, внутри которых размещены чувствительные элементы, выполненные в виде двух кинематически связанных между собой золотников и двух поршней, один из которых - верхний золотник - выполнен в виде диска со штоком, снабженного ограничителем, упором и стержнем штока, на нижней торцевой поверхности диска золотника выполнена кольцевая выточка, а наклонно к цилиндрической образующей - каналы, примыкающие к кольцевой выточке, по оси диска и штока золотника выполнено осевое сверление с внутренней цилиндрической расточкой в диске золотника и радиальными отверстиями в штоке, причем внутренняя цилиндрическая расточка диска с помощью каналов сообщена с нижней торцевой поверхностью диска золотника, нижний золотник выполнен в виде втулки с осевым отверстием и внутренней цилиндрической расточкой в нем, сообщенной с помощью каналов с верхней торцевой плоскостью золотника, поршни выполнены в виде дисков с осевыми отверстиями, с помощью которых они установлены на штоке в цилиндрической расточке таким образом, что нижняя цилиндрическая полость разделена на три полости в виде замкнутых цилиндров с изменяющимися объемами - верхнюю, являющуюся полостью разгрузочного и дозирующего экономайзерного устройств, среднюю, являющуюся полостью атмосферного давления, и нижнюю, являющуюся полостью наддувочного воздуха, в стержне штока и упоре выполнены радиальные отверстия, сообщенные между собой осевым каналом, нижний золотник и поршень снабжены пружинами, в стенке внутренней цилиндрической перегородки выполнена дополнительная полость низкого давления, с одной стороны с помощью отверстий сообщающаяся с внутренней цилиндрической расточкой верхнего золотника, с другой - с основной полостью низкого давления, верхняя крышка полости низкого давления выполнена в виде тарелки со штоком и с внутренним осевым каналом в нем, на наружной цилиндрической поверхности которого выполнены радиальные каналы, примыкающие к осевому каналу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к газовым двигателям внутреннего сгорания, а более конкретно - к устройствам для регулирования давления топливного газа в газовых двигателях внутреннего сгорания.

Известен двухступенчатый регулятор давления газа, содержащий корпус с входной и выходной полостями, два последовательно соединенных соосно регулирующих органа, два чувствительных элемента, первая полость каждого из которых соединена с выходом соответствующего регулирующего органа, а вторые полости - с управляющей полостью, регулировочную пружину с винтом, а также подпружиненный клапан и поршень, установленный между регулировочной пружиной и второй полостью второго чувствительного элемента (cм. а.с. СССР N 771629, кл. G 05 D 16/10, 1980).

Однако известный двухступенчатый регулятор давления газа обладает рядом существенных недостатков. Эти недостатки заключаются в том, что данный регулятор не в состоянии обеспечить автоматическую подачу необходимого количества газа на различных режимах работы двигателя; кроме того, известный регулятор не способен снижать давление до близкого к атмосферному независимо от давления газа в баллоне; и, наконец, обеспечивать прекращение подачи газа при кратковременной остановке двигателя, т.е. не может работать в качестве автоматического запорного устройства, отключающего двигатель от газовой магистрали во время его остановки.

Из известных регуляторов давления газа наиболее близким по технической сущности и по достигаемому результату является двухступенчатый автоматический регулятор давления газа диафрагменного типа, содержащий корпус с полостями высокого и низкого давлений, полостями разгрузочного устройства и атмосферного давления и дозирующее экономайзерное устройство с размещенными в них чувствительными элементами, нагруженными уравновешивающими пружинами, и регулирующие устройства давления газа (cм. Е.В.Кленников, О.А.Мартиров и др. Газобалонные автомобили: техническая эксплуатация. - М.: Транспорт, 1986, с. 34-39).

Однако известные двухступенчатые автоматические регуляторы давления газа обладают рядом существенных недостатков. Эти недостатки заключаются в том, что наличие чувствительных элементов в виде диафрагм и клапанов высокого и низкого давления, а также систем тяг и рычагов делает конструкцию газового регулятора недостаточно надежной. Кроме того, с точки зрения конструкции, диафрагмы из резины и ткани обладают нестабильной характеристикой и ограниченным ходом, что не обеспечивает требуемой точности и стабильности регулирования расхода газа на всех режимах в течение продолжительного времени. Кроме того, известный регулятор давления газа не в состоянии обеспечить оптимальную подачу газа на различных режимах при работе двигателя с наддувом.

Для повышения надежности и упрощения конструкции регулятора давления газа, повышения точности и стабильности регулирования расхода газа на всех режимах в течение продолжительного времени, а также обеспечения оптимальной подачи газа на различных режимах при работе двигателя с наддувом в известном регуляторе давления газа, содержащем корпус с полостями высокого и низкого давлений, полостями разгрузочного устройства и атмосферного давления и полостью дозирующего экономайзерного устройства с размещенными в них чувствительными элементами, нагруженными уравновешивающими пружинами, и регулирующие устройства давления газа, полость высокого давления в верхней своей части выполнена в виде цилиндрической расточки, внутри которой размещен чувствительный элемент, изготовленный в виде золотника, на наружной цилиндрической поверхности которого выполнена кольцевая выточка с радиальными каналами, а по оси - осевой канал, примыкающий к радиальным каналам, золотник снабжен нажимной пружиной и регулировочным винтом, установленным в крышке, цилиндрическая расточка своей внутренней полостью примыкает к внутренней полости высокого давления, надзолотниковое пространство снабжено отверстием для сообщения с наддувочным воздухом, полость низкого давления выполнена в виде цилиндрической расточки с верхней и нижней крышками и с внутренней цилиндрической перегородкой, разделяющей внутреннюю полость на две полости - верхнюю - полость низкого давления и нижнюю, в перегородке и в нижней цилиндрической полости выполнены цилиндрические расточки, внутри которых размещены чувствительные элементы, выполненные в виде двух кинематически связанных между собой золотников и двух поршней, один из которых - верхний золотник - выполнен в виде диска со штоком, снабженного ограничителем, упорами и стержнем штока, на нижней торцевой поверхности диска золотника выполнена кольцевая выточка, а наклонно к цилиндрической образующей - каналы, примыкающие к кольцевой выточке, по оси диска и штока золотника выполнено осевое сверление с внутренней цилиндрической расточкой в диске золотника и радиальными отверстиями в штоке, причем внутренняя цилиндрическая расточка диска с помощью каналов сообщена с нижней торцeвой поверхностью диска золотника, нижний золотник выполнен в виде втулки с осевым отверстием и внутренней цилиндрической расточкой в нем, сообщенной с помощью каналов с верхней торцeвой плоскостью золотника, поршни выполнены в виде дисков с осевыми отверстиями, с помощью которых они устанавливаются на штоке в цилиндрической расточке таким образом, при котором нижняя цилиндрическая полость разделяется на три полости в виде замкнутых цилиндров с изменяющимися объемами - верхнюю - вакуумную полость разгрузочного и дозирующего экономайзерного устройства, среднюю - полость атмосферного давления и нижнюю - полость наддувочного воздуха, в стержне штока и упоре выполнены радиальные отверстия, сообщенные между собой осевым каналом, нижний золотник и поршень снабжены пружинами, в стенке внутренней цилиндрической перегородки дополнительная полость низкого давления с одной стороны с помощью отверстий сообщена с внутренней цилиндрической расточкой верхнего золотника, с другой - с основной полостью низкого давления, верхняя крышка полости низкого давления выполнена в виде тарелки со штоком и с внутренним осевым каналом в нем, на наружной цилиндрической поверхности которого выполнены радиальные каналы, примыкающие к осевому каналу.

На чертеже схематично показано устройство регулятора давления газа.

Регулятор давления газа содержит корпус, выполненный в виде двух отдельных корпусов 1 и 2 с внутренними полостями высокого 3 и полостями низкого давления - основной 4 и дополнительной 5.

Полость регулятора высокого давления в верхней своей части 3-1 выполнена в виде цилиндрической расточки 6, внутри которой размещен чувствительный элемент, выполненный в виде золотника 7, на наружной цилиндрической поверхности которого выполнена кольцевая выточка 8 с радиальными каналами 9, а по оси - осевой канал 10, примыкающий к радиальным каналам 9. Золотник 7 снабжен нажимной пружиной 11 и регулировочным винтом 12, установленным в крышке 13.

Цилиндрическая расточка 6 своей внутренней полостью 3-2 примыкает к внутренней полости высокого давления 3 и для ограничения хода золотника 7 снабжена ограничителем 14.

Надзолотниковое пространство 15 снабжено отверстием 16 для сообщения с наддувочным воздухом.

Полость низкого давления выполнена в виде цилиндрической расточки с верхней крышкой 17 и нижней 18 и с внутренней цилиндрической перегородкой 19, разделяющей внутреннюю полость на две полости: верхнюю - полость низкого давления 4 и нижнюю 20. В перегородке 19 и в нижней цилиндрической полости 20 корпуса 2 выполнены цилиндрические расточки 21, 22 и 23, внутри которых размещены чувствительные элементы, выполненные в виде двух кинематически связанных между собой золотников и двух поршней. Верхний золотник 24 выполнен в виде диска со штоком 25, снабженного ограничителем 26, упорами 27 и 28 и стержнем штока 29. На нижней торцевой поверхности диска золотника 24 выполнена кольцевая выточка 30, к которой примыкают наклонные каналы 31, а по оси золотника 24 и штока 25 выполнено осевое сверление 32 с внутренней цилиндрической расточкой 33 в диске золотника 24 и радиальными отверстиями 34 в штоке 25, причем внутренняя цилиндрическая расточка 33 в диске золотника 24 с помощью каналов 35 сообщена с нижней торцевой поверхностью диска золотника 24.

Нижний золотник 36 выполнен в виде втулки с осевым отверстием 37 и внутренней цилиндрической расточкой 38, сообщенной с помощью каналов 39 с верхней торцевой плоскостью золотника 36.

Поршни 40 и 41 выполнены в виде дисков с осевыми отверстиями 42 и 43, с помощью которых они устанавливаются на штоке 25 и стержне штока 29 в цилиндрической расточке 23 таким образом, при котором нижняя цилиндрическая полость 20 разделяется на три полости в виде замкнутых цилиндров с изменяющимися объемами: верхнюю - вакуумную полость разгрузочного и дозирующего экономайзерного устройства 44, среднюю - полость атмосферного давления 45 и нижнюю - полость наддувочного воздуха 46.

В стержне штока 29 и упоре 27 выполнены радиальные отверстия соответственно 47 и 48, сообщенные между собой осевым каналом 49.

Нижний золотник 36 и поршень 40 снабжены нажимными пружинами соответственно 50 и 51.

В стенке внутренней цилиндрической перегородки 19 дополнительная полость низкого давления 5 с одной стороны с помощью отверстий 52 сообщена с внутренней цилиндрической расточкой 21 верхнего золотника 24, с другой - с помощью отверстий 53 - с основной полостью низкого давления 4.

Крышка 17 полости низкого давления 4 выполнены в виде тарелки со штоком 54 и с внутренним осевым каналом 55, на наружной цилиндрической поверхности которого выполнены радиальные каналы 56, примыкающие к осевому каналу 55.

Основная полость низкого давления 4 и дополнительная полость низкого давления 5 снабжены отверстиями 57 и 58 для подачи топлива в карбюратор-смеситель (не показан).

Вакуумная полость разгрузочного и дозирующего экономайзерного устройства 44 через отверстие 59, вакуумную трубку (не показана) сообщена с задроссельным пространством карбюратора-смесителя (не показан).

Полость атмосферного давления 45 через радиальные отверстия 47 и 48 и осевой канал 49 постоянно сообщена с атмосферой. Полость 46 через отверстие 60 постоянно сообщена струбопроводом наддувочного воздуха (не показан).

Стержень штока 29 снабжен пружиной 61, упорной шайбой 62, ограничителем 63, регулировочным ниппелем 64 и гайкой 65.

Для подачи газа из газовой магистрали автомобиля в полость высокого давления 3 регулятор снабжен впускным каналом 66, а для подачи газа из полости высокого давления 3 в полость низкого давления 4 выполнено отверстие 67.

После установки верхнего золотника 24 в расточку 21 внутренней цилиндрической перегородки 19 между нижней торцевой поверхностью диска золотника 24 и торцевой поверхностью перегородки 19 образуется замкнутое пространство 68, постоянно сообщенное с каналами 35.

Работа осуществляется следующим образом. Газ из газовой магистрали автомобиля через впускной канал 66, наружную кольцевую выточку 8, радиальные каналы 9 и осевой канал 10 поступает в полость высокого давления 3, откуда с одной стороны через осевой канал 55, радиальные каналы 56, цилиндрическую расточку 33, каналы 35 поступает в замкнутое пространство 68, с другой - через осевой канал 55, осевое сверление 32, радиальные отверстия 34, цилиндрическую расточку 38, каналы 39, кольцевую выточку 30 - в наклонные каналы 31, в которых создается избыточное давление. Надзолотниковое пространство 15 регулятора через отверстие 16, соединительный трубопровод (не показан) сообщено с нагнетательным воздушным трубопроводом (не показан). Под действием избыточного давления в полости 3 на золотнике 7 создается перепад давлений и возникает усилие. Это усилие стремится переместить золотник 7 вдоль оси вверх и тем самым перекрыть кольцевую выточку 8 относительно впускного канала 66. При увеличении избыточного давления в полости 3 до определенного значения золотник 7 начинает перемещаться вверх, преодолевая усилие сжимаемой пружины 11, и закрывает кольцевую выточку 8.

При снижении давления в полости 3 до определенного значения усилие от давления газа на золотник 7 становится недостаточным для удержания кольцевой выточки 8 в закрытом положении. Под действием суммарного усилия от сжатия пружины 11 и избыточного давления воздуха в надзолотниковом пространстве 15, создаваемого компрессором, золотник 7 перемещается вниз, открывая тем самым впускной канал 66 выточкой 8. При этом в полость 3 поступает дополнительное количество газа из газовой магистрали, вследствие чего давление в полости 3 возрастает до такого значения, при котором на золотнике 7 возникает усилие, достаточное для того, чтобы переместить золотник вверх и закрыть кольцевую выточку 8. В полости высокого давления 3 устанавливается постоянное избыточное давление, которое поддерживается на заданном уровне автоматически. Давление имеет такое значение, при котором под его действием золотник 7 перемещается вверх и перекрывает кольцевую выточку 8.

Давление в полости высокого давления 3 устанавливается с помощью регулировочного винта 12, изменяющего усилие пружины 11.

В процессе пуска возникающее за дроссельной заслонкой разрежение через вакуумную трубку (не показана) и отверстие 59 передается в вакуумную полость 44, выполняющую одновременно роль вакуумной полости дозирующего экономайзерного устройства и вакуумной полости разгрузочного устройства. Под действием разрежения, возникающего в полости 44, поршень разгрузочного устройства 40, сжимая коническую пружину 51, перемещается вверх вдоль штока 25 до упора в ограничитель 26 и разгружает верхний золотник 24 полости низкого давления от действия усилия, создаваемого пружиной 51. В результате действия разгрузочного устройства удержать золотник 24 в закрытом положении стремится лишь усилие, создаваемое пружиной 61. Под действием того же разрежения, возникающего в полости 44, нижний золотник 36, преодолевая усилие пружины 50, перемещается вдоль штока 25 вниз, перекрывая тем самым радиальные отверстия 34 в штоке 25.

Одновременно через выходное отверстие системы холостого хода и газовые трубопроводы (не показаны) разрежение, возникающее в задроссельном пространстве, через отверстия 57 и 58 передается в основную 4 и дополнительную 5 полости низкого давления регулятора. При этом создаваемое на золотнике 24 усилие стремится переместить золотник 24 вверх и тем самым приоткрыть впускные отверстия 52. Это усилие суммируется с усилием, которое возникает на золотнике 24 со стороны замкнутого пространства 68 от действия давления газа, находящегося в полости высокого давления 3 регулятора. В результате воздействия этих факторов после срабатывания поршня 40 разгрузочного устройства золотник 24 вдоль штока 54 перемещается вверх и своей нижней кромкой частично приоткрывает впускные отверстия 52. Это происходит потому, что пружина 61 подобрана таким образом, при котором создаваемого ею усилия недостаточно для удержания золотника 24 в закрытом положении.

Через открывшиеся отверстия 52 газ из полости высокого давления 3 по осевому 55 и радиальным каналам 56 в штоке 54 расточки 33, каналам 55 в диске золотника 24 и пространство 68 поступает в полости 4 и 5 низкого давления. Необходимое давление в полостях 4 и 5 поддерживается золотниковым механизмом автоматически.

В случае превышения заданного давления в полости 4 золотник 24 перемещается вниз и тем самым отверстия 52 прикрывает до тех пор, пока давление в полостях 4 и 5 не понизится до заданного. Давление в полостях низкого давления 4 и 5 регулируется путем изменения усилия сжатия пружины 61 с помощью регулировочного ниппеля 64 и гайки 65.

На всех режимах работы двигателя, кроме режимов, соответствующих полному открытию дроссельной заслонки, проход газа через канал 31 мощностной регулировки закрыт. Это достигается особым конструктивным расположением выходных отверстий наклонных каналов 31 в верхнем золотнике 24 относительно внутренней расточки 21, а также радиальных отверстий 34 в штоке 25 относительно внутренней цилиндрической расточки 38 в нижнем золотнике 36, которые закрыты на всех режимах, кроме режимов полного открытия дроссельной заслонки вследствие перемещения золотника 36 вниз под действием разрежения, возникающего при работе двигателя в задроссельном пространстве и передающегося через трубопровод (не показан) и отверстие 59 в вакуумную полость 44.

При работе двигателя на режиме холостого хода кольцевая выточка 8 золотника 7 полости высокого давления 3 и впускные отверстия 52 полости низкого давления 5 частично приоткрыты. Радиальные отверстия 34 штока 25 под действием высокого разрежения в полости 44 закрыты внутренними стенками золотника 36. Это разрежение возникает во впускном трубопроводе на режиме холостого хода, которое удерживает золотник 36 в нижнем положении, при котором радиальные отверстия 34 штока 25 полностью перекрыты внутренней поверхностью золотника 36.

В результате использования в конструкции регулятора разгрузочного устройства при работе двигателя на режиме холостого хода, а также на режимах малых нагрузок в полостях низкого давления 4 и 5 поддерживается небольшое избыточное давление порядка 98-100 Па.

При работе двигателя на режимах малых нагрузок газ подается к двигателю только через систему холостого хода. В этом случае дроссельная заслонка (не показана) прикрыта. Разрежение из задроссельного пространства передается в вакуумную полость разгрузочного и дозирующего экономайзерного устройства 44. Радиальные отверстия 34 под действием разрежения закрыты золотником 36, а в полостях низкого давления 4 и 5 создается небольшое избыточное давление, так как золотник 24 открыт под действием давления газа в пространстве 68.

По мере роста нагрузки двигателя разрежение в полостях низкого давления 4 и 5 продолжает увеличиваться. Одновременно увеличивается давление наддувочного воздуха P_к в надзолотниковом пространстве 15 и полости наддувочного воздуха 46. Рост разрежения в полостях 4 и 5 с одновременным увеличением избыточного давления воздуха в надзолотниковом пространстве 15 и полости 46 сопровождается увеличением перепада давлений в полостях 4 и 45, 4 и 46 и 4 и 68, что приводит к возникновению дополнительных усилий. Эти усилия действуют соответственно на золотник 24. Степень открытия впускных отверстий 52 увеличивается, расход газа через отверстия 52 и 53 возрастает. При этом разрежение в полости высокого давления 3 также возрастает, растет перепад давлений в полости 3 и в надзолотниковом пространстве 15.

Возникающее усилие действует на золотник 7, перемещая его вниз, вследствие чего степень открытия кольцевой выточки 8 увеличивается. Это в свою очередь приводит к росту расхода газа через впускной канал 66, кольцевую выточку 8, радиальные каналы 9 и осевой канал 10.

При увеличении нагрузки и как следствие увеличении давления наддувочного воздуха, последнее передается в надзолотниковое пространство 15 и полость наддувочного воздуха 46 соответственно полостей высокого и низкого давлений редуктора. Рост давлений в надзолотниковом пространстве 15 и полости наддувочного воздуха 46 с одновременным разрежением в полостях низкого давления 4 и 5 сопровождается увеличением перепада давлений в полостях 4 и 45, 4 и 46, 4 и 68 и в надзолотниковом пространстве 15 и полости наддувочного воздуха 46, что приводит к возникновению дополнительных усилий. Эти усилия действуют соответственно на золотник 7 полости высокого давления 3 и верхний золотник 24 полости низкого давления 4. Степень открытия золотников высокого и низкого давлений увеличивается, что приводит к соответствующему увеличению расхода топливного газа через эти золотники. Все это в целом приводит к росту расхода газа в соответствии с возросшим расходом воздуха через двигатель.

Дальнейшее возрастание нагрузки двигателя связано с увеличением степени открытия впускного канала 66 и отверстий 52 полостей высокого и низкого давлений регулятора, что приводит к увеличению подачи газа. Давление в полостях низкого давления 4 и 5 по мере открытия дроссельной заслонки и соответствующего увеличения разрежения в диффузоре-смесителе (не показан) изменяется от избыточного, равного 100 Па, до разрежения порядка 200 Па. Это вызывает постепенное обеднение горючей смеси по мере возрастания нагрузки. Дальнейшее возрастание нагрузки двигателя влечет за собой увеличение давления наддувочного воздуха и как следствие увеличение степени открытия золотников 7 и 24 соответственно полостей высокого 3 и низкого давлений 4 вследствие перемещения поршня 41 в цилиндрической расточке 23, что приводит к увеличению подачи газа в соответствии с возросшей нагрузкой двигателя.

При работе двигателя на полной мощности, т.е. при полностью открытых дроссельных заслонках, впускной канал 66 и впускные отверстия 52 соответственно полостей высокого и низкого давлений регулятора и обратный клапан карбюратора-смесителя (не показан) также максимально открыты. На режимах, близких к полному открытию дросселя, в действие вступает экономайзер (не показан). На этих режимах разрежение за дроссельной заслонкой, а следовательно, и в вакуумной полости 44 становится недостаточным для удержания золотника 36 в нижнем закрытом положении. Под действием усилия пружины 50 золотник 36 перемещается вверх вдоль штока 25 и открывает радиальные отверстия 34. Через открывшиеся отверстия 34, расточку 38, вертикальные 39 и наклонные каналы 31 начинает поступать дополнительная порция газа в полости 4 и 5 и далее к смесителю. Количество газа при этом дозируется калиброванным отверстием канала 31 мощностной регулировки. Увеличение общей подачи газа регулятором низкого давления за счет дополнительной подачи газа через каналы 31 приводит к обогащению горючей смеси, что обеспечивает получение от двигателя максимальной мощности.