адсорбер системы улавливания паров топлива

Формула изобретения

1. Адсорбер системы улавливания паров топлива, содержащий герметичный, цилиндрического типа корпус, ограниченный крышкой и дном, представляющий собой перевернутый усеченный конус с вершиной и основанием, основание которого соединено с корпусом, а вершина усеченного конуса расположена геодезически ниже всех точек корпуса, внутри корпуса расположены верхняя и нижняя перегородки, между которыми находится адсорбирующее вещество, в крышке имеется патрубок сообщения адсорбирующего вещества с атмосферой, а пространство между дном и нижней перегородкой образует емкость для сбора конденсата, сообщающуюся с помощью трубки, проходящей внутри корпуса и через крышку, с системой впуска воздуха двигателя внутреннего сгорания и топливным баком, отличающийся тем, что на дне корпуса, а именно на плоскости вершины усеченного конуса выполнен кольцевой выступ, направленный внутрь емкости, а на патрубке имеется расширение, доходящее до дна корпуса и охватывающее кольцевой выступ, на боковой поверхности которого выполнено по меньшей мере одно сквозное окно, причем верхний край окна и расширения на трубке находятся вблизи нижней перегородки.

2. Адсорбер по п.1, отличающийся тем, что площадь окна больше или равна площади проходного сечения трубки.

3. Адсорбер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что перегородки выполнены из полимерного газопроницаемого материала, например из поролона с открытыми порами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к транспортным средствам, оснащенным двигателями внутреннего сгорания (ДВС), в частности к системам питания ДВС, а именно к адсорберам системы улавливания паров топлива (СУПТ), поглощающим топливные испарения из топливного бака.

Из патента Японии (заявка N 63-32981, МПК F 02 M 25/08, публ. 4.07.88 (N 5-825)) известно устройство адсорбера, содержащее корпус цилиндрического типа с крышкой и дном, вблизи которых расположены верхняя и нижняя негерметичные перегородки, между которыми находится адсорбирующее вещество, в крышке имеются патрубки подвода топливных паров из топливного бака и отвода топливных паров в систему впуска ДВС, а в дне выполнено отверстие.

Недостатком указанного устройства является отсутствие какого бы то ни было устройства, предотвращающего попадания сконденсировавшейся жидкости из топливного пара, которая может поступить из патрубка подвода топливных паров, на поверхность адсорбента, что приведет к его отравлению и частично или полностью выходу из строя. Кроме того, жидкий конденсат при достаточном его количестве может просочиться сквозь адсорбент до низа и вытечь через отверстие 10а в дне корпуса адсорбера в окружающую среду, что недопустимо по международным требованиям пажаробезопастности и токсичности, предъявляемым к транспортным средствам.

Другое устройство адсорбера по патенту ЕПВ (заявка N 0242049, МПК F 02 M 25/08, публ. 21.10.87 (N 43)), содержащее вышеперечисленные по патенту Японии элементы, имеет усовершенствование, заключающееся в том, что топливные пары и жидкий конденсат проходят из патрубка подвода топливных паров, расположенного в крышке, по трубке, идущей вниз к дну через адсорбирующее вещество, а вблизи дна имеется емкость (ловушка) для сбора конденсата. По другой трубке отвода паров топливные пары удаляются из адсорбера в ДВС через систему впуска, где и сгорают.

Недостатком этого устройства является то, что концы трубок расположены в непосредственной близости от дна, что при достаточном уровне жидкого конденсата может привести к попаданию его в трубку отвода паров при продувке адсорбера и проходе жидкости в ДВС. Это приведет к нерегулируемому дополнительному обогащению топливной смеси, сгораемой в ДВС при его работе, т.к. плотность жидкости значительно больше плотности топливных паров. В результате это приведет к увеличению токсичности ДВС, что также неприемлемо, т.к. токсичность автотранспорта регламентирована международными и российскими стандартами.

В качестве прототипа выбрано устройство адсорбера по патенту США N 4750465, МПК F 02 M 39/00, публ. 14.06.88, содержащее корпус цилиндрического типа с крышкой и дном, вблизи которых расположены верхняя и нижняя негерметичные (проницаемые для газа и жидкости) перегородки, между которыми находится адсорбирующее вещество. В крышке имеются патрубки подвода топливных паров из топливного бака, отвода топливных паров в систему впуска ДВС и патрубок, связывающий адсорбирующее вещества с атмосферой. Внутри корпуса, от крышки к дну, проходит одна трубка, связанная с патрубками подвода и отвода паров. Конец трубки заканчивается в непосредственной близости от дна емкости для сбора конденсата. Последняя представляет собой перевернутый усеченный конус, в вершине которого выполнено углубление в виде колодца (дополнительного резервуара). По сравнению с вышеописанным аналогом (заявка ЕПВ) устройство по прототипу имеет преимущество, заключающееся в том, что вместо двух трубок применена одна с сохранением функциональной работоспособности адсорбера.

Недостатком этого устройства является также то, что трубка находится в непосредственной близости от дна корпуса адсорбера, что может привести к захватыванию части жидкого конденсата при продувке адсорбера и попадании его в ДВС, как это уже описывалось выше, что приведет к увеличению токсичности ДВС. Кроме того, углубление 50, выполненное в дне, выходит наружу емкости для сбора конденсата, т.е. увеличивает габарит корпуса адсорбера на величину углубления, что нецелесообразно в условиях минимизации конструкции узлов системы питания ДВС, особенно если это связано с размещением их в стесненном подкапотном пространстве, а также в других местах транспортных средств. Решение технической задачи предполагает изменение конструкции, в основном емкости для сбора сконденсированных топливных паров, расположенной в адсорбере, и способствует уменьшению токсичности ДВС.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном адсорбере, СУПТ транспортных средств, содержащем герметичный, цилиндрического типа корпус, ограниченный крышкой и дном, представляющем собой перевернутый усеченный конус с вершиной и основанием, основание которого соединено с корпусом, а вершина усеченного конуса расположена геодезически ниже всех точек корпуса, внутри корпуса расположены верхняя и нижняя перегородки, между которыми находится адсорбирующее вещество, в крышке имеется патрубок сообщения адсорбирующего вещества с атмосферой, а пространство между дном и нижней перегородкой образует емкость для сбора конденсата, сообщающуюся с помощью трубки, проходящей внутри корпуса и через крышку, с системой впуска воздуха ДВС и топливным баком, отличительной особенностью является то, что

на дне корпуса, а именно на плоскости вершины усеченного конуса выполнен кольцевой выступ, направленный внутрь емкости, а на трубке имеется расширение, доходящее до дна корпуса и охватывающее кольцевой выступ, на боковой поверхности которого выполнено по меньшей мере одно сквозное окно, причем верхний край окна и расширения на трубке находятся вблизи нижней перегородки, площадь окна больше или равна площади проходного сечения трубки, а перегородки изготовлены из полимерного газопроницаемого материала.

На фиг. 1 изображен адсорбер в сечении по его оси;

на фиг. 2 - схема системы улавливания паров топлива;

на фиг. 3 - сечение по фиг.1;

на фиг. 4, 5 - схемы конструкций емкости в увеличенном виде;

на фиг. 6 - нижняя часть трубки (аксонометрия).

Адсорбер СУПТ транспортного средства по фиг. 1 содержит корпус 1 с крышкой 2 и дном 3, при этом дно представляет собой перевернутый усеченный конус с вершиной 4 и основанием 5, присоединенным к корпусу 1. Внутри корпуса 1 расположены верхняя 6 и нижняя 7 перегородки, между которыми находится адсорбирующее вещество 8.

В крышке 2 имеется патрубок 9, связывающий адсорбирующее вещество 8 с атмосферой. Пространство между дном 3 и нижней перегородкой 7 корпуса 1 образует емкость 10 для сбора конденсата. На дне 3 корпуса 1, а именно на плоскости вершины 4, выполнен кольцевой выступ 11, который направлен внутрь емкости 10. В емкость 10 входит трубка 12, имеющая расширение 13 на участке от нижней перегородки 7 до вершины 4 и охватывающее выступ 11. Расширение 13 также имеет по меньшей мере одно сквозное окно 14, расположенное на боковой его поверхности, причем верхний край 15 окна 14 и расширение 13 на патрубке 12 находятся вблизи нижней перегородки 7. Суммарная площадь S сквозного окна 14 больше или равна площади проходного сечения S₁ трубки 12. Трубка 12 проходит внутри корпуса 1 и через крышку 2, а снаружи корпуса 1 к ней подсоединяются патрубки подвода 16 и отвода 17 топливных паров. Патрубок подвода 16 соединен с клапаном 18, который с помощью трубопровода 19 соединен с верхней частью 20 топливного бака 21, а патрубок 17 соединен трубопроводом 22 с электроклапаном 23, который в свою очередь соединен с системой впуска воздуха ДВС 24 за дроссельной заслонкой 25.

Корпус 1, крышка 2 и дно 3 герметично соединены между собой. На фиг. 5 изображено неудачное конструктивное исполнение кольцевого выступа 11, направленного наружу емкости 10.

Адсорбер необходим для предотвращения выхода испарившегося топлива из топливного бака в атмосферу и ее загрязнения и тем самым необходим для выполнения международных экологических требований, предъявляемых к транспортным средствам.

Адсорбер работает обычным образом.

Преимущественно при стоянке транспортного средства и не работающем ДВС часть жидкого топлива, находящегося в топливном баке 21, под влиянием окружающей температуры испаряется и скапливается в верхней его части 20. При достижении определенного избыточного давления открывается клапан 18, при этом пары топлива и воздуха по трубопроводу 19 проходят через патрубок подвода паров 16 и трубку 12 в нижнюю часть корпуса 1. Затем через сквозное окно 14 пары топлива и воздуха проходят через нижнюю перегородку 7 к адсорбирующему веществу 8 (например, состоящему из активированного угля), расположенному в корпусе 1 между верхней 6 и нижней 7 перегородками, на поверхности которого по всему объему адсорбирующего вещества происходит поглощение (адсорбция) паров топлива. Воздух при этом не удерживается адсорбирующим веществом 8, а свободно проходит через перегородку 6 в патрубок 9, расположенный на крышке 2, и далее выходит в атмосферу. Клапан 18 необходим для создания в топливном баке небольшого избыточного давления, за счет насыщенных паров топлива, с целью ограничения поступления топливных паров в адсорбер и его возможного переполнения.

Верхняя 6 и нижняя 7 перегородки негерметичны и изготовлены из пористого полимерного материала с открытыми порами для свободного прохождения через них топливных паров, воздуха и жидкости (сконденсированного топливного пара), но не проницаемыми для сыпучего или гранулированного адсорбирующего вещества 8, представляющего собой активированный уголь.

Движение топливных паров и воздуха из топливного бака 21 к корпусу 1 и внутри адсорбера показано стрелками. В то же время вместе с парами топлива по трубопроводу 19 в направлении от топливного бака 21 к корпусу адсорбера 1 движется и конденсат (сконденсированные топливные пары) в виде участков, тромбов, который образуется в трубопроводе 19 под влиянием в основном условий окружающей среды (температуры и давления), подходящих для его образования, особенно если трубопровод 19 имеет большую длину.

Конденсат также проходит через клапан 18, проходит в корпус 1 по трубке 12 и через окно 14 стекает в емкость 10. Теоретически емкость 10 должна быть выполнена как можно большего объема, достаточного для cтекания туда всего образовавшегося конденсата, чтобы предотвратить его проникновение в зону размещения адсорбирующего вещества 8, расположенного над нижней перегородкой 7, т.к. попадание жидкого топлива на адсорбирующее вещество 8 приведет к отравлению и выходу из строя части последнего, а следовательно, снижению эффективности адсорбера в целом.

С другой стороны, большой объем емкости 10 приведет к увеличению испарения с поверхности конденсата, что в сумме с испарениями из топливного бака 21 может привеcти к переполнению адсорбирующего вещества 8, самопроизвольной десорбции топливных паров и выходу их в атмосферу через патрубок 9 в крышке 2 во время стоянки автомобиля и не работающем ДВС, что недопустимо, т.к. увеличит токсичность транспортного средства. Уменьшение площади испаряемой поверхности влечет за собой превращение емкости 10 в узкий высокий колодец, значительно увеличивающий габариты адсорбера, что не всегда возможно. Компромисс достигается тем, что дно 3 представляет собой перевернутый усеченный конус, имеющий минимальную площадь испарения, с основанием 5, соединенным с корпусом 1, а на плоскости вершины 4 усеченного конуса выполнен кольцевой выступ 11, направленный внутрь емкости 10.

Конденсат, как уже отмечалось выше, проходит через окно 14 и стекает внутрь кольцевого выступа 11. Если конденсата немного, то он остается в выступе 11, при этом площадь поверхности испарения его минимальна (см. фиг. 4) и равна площади вершины усеченного конуса с диаметром Д. При переливе конденсата через край выступа 11 площадь его испаряемой поверхности будет равна сумме площадей вершины П₁ с диаметром Д и установившегося уровня конденсата П₂ с диаметром Д₁. Отсюда суммарная площадь испарения конденсата будет равна



где П - суммарная площадь испарения конденсата.

Отсюда видно, что чем острее угол образующей конуса к оси О-О, тем меньше площадь испарения конденсата при равных его объемах. На фиг. 5 изображена схема емкости 10 с неудачным расположением выступа 11 - наружу емкости 10, т.к. при равных его площадях

П₁=П₁ ¹; П₂=П₂ ¹

и соответственно равной испаряемой поверхности, габарит адсорбера больше на высоту Н.

При включении ДВС и его работе во впускной трубе 24 за дроссельной заслонкой 25 создается разрежение (давление меньше атмосферного), что заставляет воздух из атмосферы проходить в корпус 1 адсорбера через патрубок 9, расположенный в крышке 2. Воздух проходит через верхнюю перегородку 6 и, проходя через адсорбирующее вещество 8, по всему его объему захватывает топливные пары, продувая (десорбируя) таким образом адсорбирующее вещество 8 (процессы адсорбции и десорбции достаточно хорошо изучены и описаны в научно-технической литературе). Далее топливные пары и воздух, проникая через нижнюю перегородку 7, поступают в емкость 10 и через окно 14 и трубку 12 проходят в патрубок отвода паров 17 к электромагнитному клапану 23 и далее во впускную трубу 24 ДВС. Движение продувочного воздуха в корпусе адсорбера показано двойной стрелкой на фиг. 1.

Подвод паров и воздуха осуществляется ниже дроссельной заслонки 25 в месте с наибольшим значением разрежения. Электромагнитный клапан 23 необходим для осуществления точного дозирования топливных паров и воздуха, поступающих из адсорбера для сгорания в ДВС, и управляется специальным электронным устройством (не показано). Расширение 13 на трубке 12 и окно 14, суммарная площадь поверхности которого больше или равна площади проходного сечения трубки 12, необходимы для уменьшения гидравлических потерь при прохождении паров топлива и воздуха вследствие их большой скорости (зависящей от степени перепада давления во впускной трубе ДВС и атмосферы), а также их прохождения от патрубка 9 к патрубку отвода 17.

Расширение 13 охватывает выступ 11 и закрепляется там, что необходимо для увеличения жесткости (каркасности) трубки 12, которая в процессе эксплуатации адсорбера (при установке его на транспортном средстве) подвергается вибрационным нагрузкам и должна быть закреплена по меньшей мере в двух точках - в крышке 2 и дне 3. Верхний край 15 окна 14 расположен вблизи нижней перегородки 7, чтобы дать возможность проходить топливным парам и воздуху из корпуса 1 при десорбции в трубку 12 и не захватить при этом жидкий конденсат, находящийся в емкости 10 при любых его уровнях, вплоть до уровня, доходящего до основания 5 усеченного конуса. В то же время за счет увеличения скорости воздуха, проходящего из емкости 10 в окно 14 (из большего проходного сечения в меньшее), происходит интенсивное испарение конденсата, находящегося в выступе 11, из-за локализации в малом объеме расширения 13 контакта воздуха и жидкого конденсата, причем чем больше скорость воздуха вблизи поверхности жидкости, тем интенсивнее испарение. Этот эффект способствует минимальному времени продувки, а значит готовности адсорбера к очередному наполнению (адсорбции), что происходит при городской езде транспортного средства с короткими участками его движения и стоянки.

Таким образом, уменьшаются топливные испарения из емкости 10 в режиме поглощения адсорбера путем оптимизации ее конструкции и предотвращается попадание жидкого конденсата из емкости 10 в трубку 12 при продувке адсорбера, что и составляет положительный эффект.