СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОПОРШНЕВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
GAS ENGINE CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к двигателестроению, а именно - к системе управления многотопливным газопоршневым двигателем, и предполагается использовать в области энергообеспечения в составе мотор-генераторов и когенерационных установок.
Эксплуатация энергетических установок на основе газопоршневых двигателей показала актуальность проблемы использования газа или смеси горючих газов различной теплотворной способности, в том числе и низкой.
Известна система управления газопоршневым двигателем (RU 2424440 C1; МПК F02D 19/02, F02M 21/02; опубл. 20.07.2011), содержащим корпус, в котором установлены коленчатый вал с маховиком, рабочие цилиндры с подсоединенными к ним впускным и выпускным коллекторами, состоящая из трубопровода низкого давления, соединенного с дожимным компрессором, к которому подсоединен трубопровод повышенного давления, разветвленный перед впускным коллектором по числу рабочих цилиндров. Ответвления трубопровода повышенного давления соединены через подводящие патрубки с впускным коллектором и в каждом из них установлено по два регулировочных клапана расхода газа, один из которых установлен в дополнительный подводящий канал. Управление частотой вращения газопоршневого двигателя организовано на основе обратной связи через датчик частоты вращения коленчатого вала. Если для поддержания необходимого нагрузочно-скоростного режима газопоршневого двигателя не хватает количества поступающего газа, в связи с недостаточной теплотворной способностью газа, то по замкнутой цепи управления, состоящей из датчика частоты вращения коленчатого вала и всех регулировочных клапанов расхода газа, осуществляется корректировка состава газовоздушной смеси за счет управления производительностью дожимного компрессора.
Недостатком представленной системы управления газопоршневым двигателем является чрезмерная сложность конструкции системы топливоподачи вследствие применения: дожимного компрессора; трубопровода повышенного давления с ответвлениями для каждого рабочего цилиндра и большого количества регулировочных клапанов расхода газа.
Известна система управления газопоршневым двигателем (RU 2434150 C2; МПК F02B 43/00, F02M 21/02, F02M 21/04; опубл. 20.11.2011), содержащим корпус, в котором установлены коленчатый вал с маховиком, рабочие цилиндры с подсоединенными к ним впускным и выпускным коллекторами, состоящая из трубопровода низкого давления, соединенного с дожимным компрессором, к которому подсоединен трубопровод повышенного давления, разветвленный перед впускным коллектором по числу рабочих цилиндров. В каждом ответвлении трубопровода повышенного давления, соединенного с впускным коллектором, установлено по одному регулировочному клапану расхода газа. К трубопроводу низкого давления до дожимного компрессора подключен дополнительный подводящий канал, оснащенный датчиком расхода газа и дополнительным регулировочным клапаном расхода газа. Кроме того, система оснащена охладителем воздуха и газовоздушным смесителем. Для обратной связи по частоте вращения коленчатого вала используется датчик частоты вращения. Необходимое количество поступающего газа осуществляется регулированием производительности дожимного компрессора.
Недостатком представленной системы управления газопоршневым двигателем является чрезмерная сложность конструкций систем топливо- и воздухоподачи за счет применения: дожимного компрессора; трубопровода повышенного давления с ответвлениями для каждого рабочего цилиндра, на которых установлены регулировочные клапаны расхода газа; дополнительного подводящего канала, оснащенного дополнительным регулировочным клапаном расхода, и газовоздушного смесителя.
Известна система управления газопоршневым двигателем (EP 0142490 A2; МПК F02D 19/02, F02B 43/00, F02D 35/00; опубл. 22.05.1985), в которой используется подсистема непосредственного определения теплотворной способности газа путем анализа его химического состава. По уровню содержания в газе метана с помощью специального датчика формируется сигнал для корректировки давления газа, а следовательно, и его количества. При низкой теплотворной способности газа его давление повышается посредством дожимного компрессора, а с помощью термопары и кислородного датчика, установленных в выпускном коллекторе, осуществляется обратная связь по регулированию количества воздуха, поступающего во впускной коллектор.
Однако применение системы непосредственного определения теплотворной способности газа, дожимного компрессора и кислородного датчика усложняет систему и увеличивает ее стоимость.
Известна электронная система управления топливоподачей газопоршневого двигателя с фазированным распределенным впрыском газа (Золотницкий В.А. Автомобильные газовые топливные системы. - М.: Астрель, 2009. - 128 с., ил.). Газопоршневой двигатель содержит корпус, в котором установлены коленчатый вал с маховиком, рабочие цилиндры с подсоединенными к ним впускным и выпускным коллекторами. Данная система состоит из по меньшей мере двухступенчатого редуктора низкого давления, последняя ступень которого соединена через трубопровод низкого давления с газовой магистралью, оснащенной датчиками давления, температуры газа и газовыми электромагнитными форсунками, каждая из которых соединена через оснащенный штуцером шланг с впускным коллектором в непосредственной близости от рабочих цилиндров, содержащих высоковольтные модули зажигания и соединенных с выпускным коллектором, на выходе из которого установлен датчик кислорода. В состав системы также входит датчик частоты вращения коленчатого вала, размещенный в корпусе газопоршневого двигателя в непосредственной близости от маховика.
Недостатком данной системы управления топливоподачей газопоршневого двигателя с фазированным распределенным впрыском газа является невозможность использования газа различной теплотворной способности, в том числе и низкой, а также наличие дорогостоящего кислородного датчика.
Для предлагаемого изобретения наиболее близким из аналогов по технической сущности, выбранным в качестве прототипа системы управления газопоршневого двигателя, является система управления газопоршневым двигателем (RU 106662 U1; МПК F02B 63/04; F02D 19/02; F02P 3/00; опубл. 20.07.2011), содержащим корпус, в котором установлены коленчатый вал с маховиком, распределительный вал, рабочие цилиндры с подсоединенными к ним впускным и выпускным коллекторами, а также воздухоподводящую линию, соединенную с впускным коллектором. Система управления состоит из по меньшей мере двухступенчатого редуктора низкого давления, последняя ступень которого соединена через трубопровод низкого давления с газовой магистралью, оснащенной газовыми электромагнитными форсунками, нижняя часть каждой из которых размещена во впускном коллекторе в непосредственной близости от рабочих цилиндров, содержащих высоковольтные модули зажигания и соединенных с выпускным коллектором, в котором расположено по одной термопаре для каждого рабочего цилиндра соответственно, а на выходе установлен кислородный датчик. В состав системы также входит электронный блок управления, электрически связанный с датчиками частоты вращения коленчатого вала, углового положения распределительного вала и детонации, размещенными в корпусе в непосредственной близости от маховика, распределительного вала и рабочих цилиндров соответственно, электроуправляемой дроссельной заслонкой и датчиком расхода воздуха, установленных в воздухоподводящей линии, газовыми электромагнитными форсунками, высоковольтными модулями зажигания, а также термопарами и кислородным датчиком, установленными в выпускном коллекторе.
У этой системы управления газопоршневым двигателем тоже имеется недостаток: невозможность использования газа различной теплотворной способности, в том числе и низкой.
Задачей изобретения является создание системы управления газопоршневым двигателем с возможностью использования газа или смеси горючих газов различной теплотворной способности, в том числе и низкой. При этом применяемый в газопоршневом двигателе газ может быть как природного, нефтяного, так и биологического происхождения.
Система управления газопоршневым двигателем, содержащим корпус, в котором установлены коленчатый вал с маховиком, распределительный вал, рабочие цилиндры с подсоединенными к ним впускным и выпускным коллекторами, а также воздухоподводящую линию, соединенную с впускным коллектором, состоящая из по меньшей мере двухступенчатого редуктора низкого давления, последняя ступень которого соединена посредством трубопровода низкого давления с газовой магистралью, оснащенной газовыми электромагнитными форсунками, нижняя часть каждой из которых размещена во впускном коллекторе в непосредственной близости от рабочих цилиндров, содержащих высоковольтные модули зажигания и соединенных с выпускным коллектором, в котором расположена по крайней мере одна термопара, и из электронного блока управления, электрически связанного с датчиками частоты вращения коленчатого вала, углового положения распределительного вала и детонации, размещенных в корпусе в непосредственной близости от маховика, распределительного вала и рабочих цилиндров соответственно, электроуправляемой дроссельной заслонкой и датчиком расхода воздуха, установленных в воздухоподводящей линии, газовыми электромагнитными форсунками, высоковольтными модулями зажигания и термопарой. Система управления газопоршневым двигателем оснащена также перепускным электромагнитным клапаном, установленным на первой ступени по меньшей мере двухступенчатого редуктора низкого давления, трубопроводом повышенного давления, соединенным с одной стороны через перепускной электромагнитный клапан с первой ступенью по меньшей мере двухступенчатого редуктора низкого давления, а с другой стороны через трехходовой регулировочный клапан с газовой магистралью, дополнительно оснащенной датчиками давления и температуры газа, причем перепускной электромагнитный клапан, трехходовой регулировочный клапан, датчики давления и температуры газа электрически связаны с электронным блоком управления.
Применение данной системы основано на той особенности газопоршневого двигателя, что об изменении теплотворной способности газа приближенно можно судить по изменению температуры отработавших газов, а поскольку особой точности определения теплотворной способности газа и не требуется, то и система управления газопоршневым двигателем может учитывать эту особенность. В этом состоит новизна изобретения. Так, о зависимости температуры отработавших газов от теплотворной способности газа можно судить исходя из формулы:
<mrow><msub><mtext>H</mtext><mtext>u</mtext></msub><mo>=</mo><msub><mtext>c</mtext><mtext>v</mtext></msub><mo>⋅</mo><mtext>(T</mtext><mo>−</mo><msub><mtext>T</mtext><mtext>0</mtext></msub><mtext>)</mtext><mtext>,</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(1)</mtext></mrow>
u
3
где H - теплотворная способность газа, кДж/м;
y
3
C - объемная теплоемкость веществ в составе отработавших газов, кДж/(м·К);
T - температура отработавших газов, К;
0
T - температура газа в газовой магистрали, К.
В базе данных электронного блока управления заложены параметры газа, принятого за эталон. В результате формула (1) примет частный случай, имеющий вид:
<mrow><msub><mtext>H</mtext><mrow><mtext>u1</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mtext>c</mtext><mrow><mtext>v1</mtext></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mrow><mtext>(T</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><mo>−</mo><msub><mtext>T</mtext><mtext>0</mtext></msub><mtext>)</mtext><mtext>,</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(2)</mtext></mrow>
u1
3
где H - эталонная теплотворная способность газа, кДж/м;
v1
3
c - эталонная объемная теплоемкость веществ в составе отработавших газов, кДж/(м·К);
1
Т - эталонная температура отработавших газов, К.
Кроме газа, принятого за эталон, для поддержания работы газопоршневого двигателя на заданном нагрузочно-скоростном режиме может применяться газ или же смесь горючих газов, теплотворная способность которых неизвестна. Поэтому действительная теплотворная способность газа может быть представлена частным случаем формулы (I):
<mrow><msub><mtext>H</mtext><mrow><mtext>u2</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mtext>c</mtext><mrow><mtext>v2</mtext></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mrow><mtext>(T</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub><mo>−</mo><msub><mtext>T</mtext><mtext>0</mtext></msub><mtext>)</mtext><mtext>,</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(3)</mtext></mrow>
v2
3
где c - действительная объемная теплоемкость веществ в составе отработавших газов, кДж/(м·К);
2
T - действительная температура отработавших газов, К.
По формуле (3) определить действительную теплотворную способность газа не представляется возможным, так как в электронный блок управления не поступает достаточного количество информации, а, точнее, не известна действительная объемная теплоемкость веществ в составе отработавших газов. Поэтому в соответствии с представленным изобретением системы управления газопоршневым двигателем предлагается определение относительной теплотворной способности газа, что подразумевает вычисление величины действительной теплотворной способности газа относительно эталонного значения, в результате формула (1) преобразуется:
<mrow><msub><mtext>H</mtext><mrow><mtext>u1-2</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mtext>c</mtext><mrow><mtext>v1</mtext></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mrow><mtext>(T</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><mo>−</mo><msub><mtext>T</mtext><mtext>2</mtext></msub><mtext>)</mtext><mtext>,</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(4)</mtext></mrow>
В соответствии с рассчитанным по формуле (4) значением относительной теплотворной способности газа электронным блоком управления по заложенному в нем алгоритму осуществляются корректировки подачи газа и воздуха, момента срабатывания высоковольтных модулей зажигания, а также рабочего значения давления газа. Предлагаемая система управления газопоршневым двигателем позволяет осуществлять подачу газа через газоподводящую линию и по меньшей мере двухступенчатый редуктор низкого давления, при достижении в последней ступени которого рабочего значения давления газа, в трубопровод низкого давления, через который газ поступает во впускной коллектор и дозируется там с помощью газовых форсунок, где смешивается с воздухом, поступающим через воздухоподводящую линию и дозируется там с помощью дроссельной заслонки, причем точность дозирования обоих компонентов топливовоздушной смеси осуществляется с помощью электронного блока управления на основе анализа показаний датчиков частоты вращения коленчатого вала, углового положения распределительного вала, детонации и расхода воздуха; далее газовоздушная смесь засасывается в рабочие цилиндры, воспламеняется по команде электронного блока управления от высоковольтных модулей зажигания и сгорает, совершая полезную работу. Образовавшиеся после сгорания газовоздушной смеси отработавшие газы вытесняются в выпускной коллектор, где с помощью термопары осуществляется измерение их температуры и передача ее значения сигналом в электронный блок управления, посредством которого производится сравнение полученной действительной температуры отработавших газов с сохраненной ранее в запоминающем устройстве электронного блока управления эталонной температурой отработавших газов, по результатам которого производится вычисление относительной теплотворной способности газа, и, как следствие, корректировка рабочего значения давления газа, после чего от электронного блока управления подается управляющий сигнал на перепускной электромагнитный клапан, посредством которого газ повышенного давления отводится от первой ступени по меньшей мере двухступенчатого редуктора низкого давления в трубопровод повышенного давления, а затем подается через трехходовой регулировочный клапан, открытый по команде электронного блока управления, в газовую магистраль.
Существенные отличия предлагаемой системы управления газопоршневым двигателем от выбранного прототипа состоят в том, что первая ступень по меньшей мере двухступенчатого редуктора низкого давления дополнительно снабжена перепускным электромагнитным клапаном, соединенным с трубопроводом повышенного давления, который подключен к газовой магистрали через трехходовой регулировочный клапан, а газовая магистраль дополнительно оснащена датчиками давления и температуры газа.
На фиг. изображена схема системы управления газопоршневым двигателем. Система управления газопоршневым двигателем 1, состоящим из корпуса, в котором установлены коленчатый вал с маховиком, распределительный вал, рабочие цилиндры 2 с подсоединенными к ним впускным 3 и выпускным 4 коллекторами, содержащая воздухоподводящую линию 5, соединенную с впускным коллектором 3 и газоподводящую линию 6 с установленным в ней двухступенчатым редуктором 7 низкого давления, имеющим две ступени (первая - 7a и вторая - 7б соответственно), вторая ступень 76 которого соединена посредством трубопровода низкого давления 8 через трехходовой регулировочный клапан 9 с газовой магистралью 10, а первая ступень 7а подключена через перепускной электромагнитный клапан 11 к трубопроводу повышенного давления 12, который в свою очередь подключен через трехходовой регулировочный клапан 9 к газовой магистрали 10, оснащенной датчиками давления 13 и температуры 14 газа, а также газовыми электромагнитными форсунками 15, нижняя часть каждой из которых размещена во впускном коллекторе 3 в непосредственной близости от рабочих цилиндров 2, содержащих высоковольтные модули зажигания 16 и соединенных с выпускным коллектором 4, в котором расположена термопара 17. Кроме того, система управления газопоршневым двигателем содержит электронный блок управления 18, электрически связанный с датчиками частоты вращения коленчатого вала 19, углового положения распределительного вала 20 и детонации 21, размещенных в корпусе в непосредственной близости от маховика, распределительного вала и рабочих цилиндров 2 соответственно, электроуправляемой дроссельной заслонкой 22 и датчиком расхода воздуха 23, установленных в воздухоподводящей линии 5, газовыми электромагнитными форсунками 15, высоковольтными модулями зажигания 16, термопарой 17, перепускным электромагнитным клапаном 11, трехходовым регулировочным клапаном 9, датчиками давления 13 и температуры 14 газа.
Система управления газопоршневым двигателем работает следующим образом (см. фиг.).
Газ подается по газоподводящей линии 6 в двухступенчатый редуктор 7 низкого давления, во второй ступени 76 которого давление газа понижается до рабочего значения, заданного электронным блоком управления 18, после чего газ подается из второй ступени 76 двухступенчатого редуктора 7 низкого давления в трубопровод низкого давления 8, по которому, пройдя через трехходовой регулировочный клапан 9, поступает в газовую магистраль 10. Посредством датчиков давления 13 и температуры 14 газа, электрически связанных с электронным блоком управления 18, осуществляется мониторинг рабочего значения давления и температуры газа соответственно. Из газовой магистрали 10 с помощью газовых электромагнитных форсунок 15 газ подается во впускной коллектор 3, туда же по воздухоподводящей линии 5 поступает воздух, количество которого регулируется посредством электроуправляемой дроссельной заслонки 22 на основании измерений с помощью датчика расхода воздуха 23, электрически связанного с электронным блоком управления 18. Во впускном коллекторе 3 газ и воздух смешиваются, образуя газовоздушную смесь, засасывающуюся в рабочие цилиндры 2, воспламеняющуюся под воздействием высоковольтных модулей зажигания 16 и совершающую полезную работу. В результате образуются отработавшие газы, вытесняемые в выпускной коллектор 4, в котором посредством термопары 17 измеряется температура отработавших газов с целью предотвращения перегрева рабочих цилиндров 2. Распределенное дозирование газа по рабочим цилиндрам 2 осуществляется через газовые электромагнитные форсунки 15, подача воздуха во впускной коллектор 3 - через электроуправляемую дроссельную заслонку 22, воспламенение газовоздушной смеси в рабочих цилиндрах 2 - высоковольтными модулями зажигания 16, по команде, поступающей от электронного блока управления 18, и выработанной на основании анализа состояния газопоршневого двигателя 1, проводимого путем постоянного опроса датчиков частоты вращения коленчатого вала 19, углового положения распределительного вала 20, детонации 21, давления 13 и температуры 14 газа, расхода воздуха 23 и термопары 17. Кроме того, по показаниям датчиков частоты вращения коленчатого вала 19, детонации 21 и термопары 17 прогнозируется аварийное состояние газопоршневого двигателя 1, и по команде электронного блока управления 18 уменьшается величина подачи газа и воздуха вплоть до полного ее прекращения.
Если для поддержания необходимого нагрузочно-скоростного режима газопоршневого двигателя 1 не хватает количества поступающего газа, в связи с низкой теплотворной способностью газа, иными словами, на режимах вблизи внешней скоростной характеристики и режимах холодного пуска, то осуществляется корректировка рабочего значения давления газа и устанавливается новая величина, а затем подается управляющий сигнал к дополнительно установленному на первой ступени 7а двухступенчатого редуктора 7 низкого давления перепускному электромагнитному клапану 11. С его помощью газ повышенного давления отводится от первой ступени 7a двухступенчатого редуктора 7 низкого давления в трубопровод повышенного давления 12, далее через трехходовой регулировочный клапан 9 в газовую магистраль 10, где посредством датчиков давления 13 и температуры 14 газа осуществляется контроль рабочего значения давления и температуры газа повышенного давления соответственно, а оттуда газ повышенного давления подается через газовые электромагнитные форсунки 15 во впускной коллектор 3. Таким образом, через газовые электромагнитные форсунки 15 во впускной коллектор 3 подается уже измененное количество газа повышенного давления, туда же по воздухоподводящей линии 5 засасывается воздух, количество которого регулируется поворотом электроуправляемой дроссельной заслонки 22. Во впускном коллекторе 3 газ повышенного давления и воздух смешиваются, образуя газовоздушную смесь повышенного давления, засасывающуюся в рабочие цилиндры 2 и воспламеняющуюся под воздействием высоковольтных модулей зажигания 1 6 по откорректированному значению момента их срабатывания.
С помощью данной системы управления газопоршневым двигателем может осуществляться эффективная работа газопоршневого двигателя на режимах вблизи внешней скоростной характеристики при использовании газа или же смеси горючих газов различной теплотворной способности и улучшен холодный пуск газопоршневого двигателя, так как конструкция системы позволяет управлять не только составом газовоздушной смеси и моментом срабатывания высоковольтных модулей зажигания, но также рабочим значением давления газа. Положительный эффект от внедрения предлагаемой системы и способа управления газопоршневым двигателем следует ожидать также и в снижении себестоимости системы управления газопоршневым двигателем без применения дожимного компрессора, кислородного датчика и системы непосредственного определения теплотворной способности газа.