ДВУХТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА ПОДАЧИ ДЛЯ ПРЯМОГО ВПРЫСКА
DUAL-FUEL DIRECT INJECTION SUPPLY SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к двухтопливной системе подачи для прямого впрыска.
Уровень техники
Изобретение может быть использовано, например, в двухтопливных системах подачи с прямым впрыском для тяжелых транспортных средств, таких как грузовики, автобусы, уплотнители и, в целом, транспортных средств с объемом двигателя более 3 литров.
В более общем смысле изобретение может быть использовано в системах, в которых используется газ с прямым впрыском.
Эталонная технология известна как «двухтопливная» и состоит в одновременном впрыске в камеру сгорания двух видов топлива: жидкого топлива, например дизельного топлива, которое запускает сгорание, и природного газа, который используется для большей части впрыска (до 95%).
В этой области компания Вестпорт разработала систему, известную как HPDI, что расшифровывается как «прямой впрыск под высоким давлением», основанную на двухканальных форсунках, т. е. которая может впрыскивать и дизельное топливо, и природный газ.
На фиг.1 схематично показана система HPDI в соответствии с предшествующим уровнем техники.
Сжиженный природный газ, находящийся в резервуаре 10 на борту транспортного средства, имеет давление, повышенное с помощью насоса 11 и переводится в газообразное состояние с помощью испарителя 12. Таким образом, испаренный газ накапливается при давлении около 300-320 бар в резервуаре для хранения сжатого газа, обозначенном номером 13. Сжатый газ проходит через редуктор 14 давления, который снижает его давление до диапазона примерно 140-290 бар, чтобы сделать его пригодным для впрыска через двухканальную форсунку 15.
В такую двухканальную форсунку 15 подача осуществляется как через линию подачи дизельного топлива, обозначенную номером 16, так и линию подачи газа, обозначенную номером 17, которая соединена с выходом редуктора 14 давления.
Как можно видеть на фиг.1, редуктор 14 давления газа имеет два входа: один для горючего газа, поступающего из резервуара 13, и один для дизельного топлива, соединенный с линией 16 подачи дизельного топлива. Другими словами, имеется соединение по текучей среде между редуктором 14 давления и линией 16 подачи дизельного топлива.
Основное преимущество такого решения заключается в том, что высокая производительность дизельного двигателя сопровождается значительным снижением выбросов загрязняющих веществ (твердых частиц, оксидов азота, диоксида углерода).
В этом контексте внимание сосредоточено на редукторе давления. В уровне техники для систем HPDI редуктор давления представляет собой устройство, которое может понижать давление газа в ответ на колебания давления дизельного топлива. Таким образом, внутри редуктора давления регулирование давления газа осуществляется чисто механически, т. е. в виде функции баланса сил. Кроме того, как уже было сказано выше, такой редуктор давления характеризуется пневматическим соединением между двумя линиями подачи, т. е. дизельного топлива и газа, с риском смешивания двух видов топлива и утечек и, следовательно, с низкой надежностью. Кроме того, такое решение не позволяет реализовать стратегии, предусматривающие независимое регулирование давления двух видов топлива.
Документ WO 2016/197252 иллюстрирует решение, описанное выше.
В этом контексте техническая задача, лежащая в основе настоящего изобретения, состоит в создании двухтопливной системы подачи с прямым впрыском, которая устраняет недостатки предшествующего уровня техники, описанные выше.
Задача изобретения
В частности, задачей настоящего изобретения является создание двухтопливной системы подачи для прямого впрыска, которая является более надежной и безопасной по сравнению с решениями предшествующего уровня техники.
Другой задачей настоящего изобретения является создание двухтопливной системы подачи для прямого впрыска, которая имеет упрощенную конструкцию по сравнению с решениями предшествующего уровня техники.
Определенное техническое задание и указанные задачи по существу выполнены посредством двухтопливной системы подачи для прямого впрыска для двигателей тяжелых транспортных средств, содержащей:
- линию подачи горючей жидкости;
- линию подачи горючей жидкости;
- множество форсунок, сообщающихся по текучей среде с линией подачи горючей жидкости и с линией подачи горючего газа;
- электронный модуль управления, выполненный с возможностью управления подачей горючей жидкости и горючего газа к форсункам;
in
out
in
- устройство регулятора давления, содержащее средство для установления избирательного сообщения между входным каналом и выходным каналом, причем устройство регулятора давления выполнено с возможностью приема горючего газа при входном давлении p через входной канал и, в ответ на командный сигнал, поступающий от электронного модуля управления, выдачи горючего газа из выходного канала в линию подачи горючего газа с выходным давлением p ниже входного давления p;
- первый датчик давления, выполненный с возможностью обнаружения давления горючего газа в соответствующей линии подачи и подачи в электронный модуль управления первого сигнала, представляющего давление, обнаруженное для горючего газа;
- второй датчик давления, выполненный с возможностью обнаружения давления горючей жидкости в соответствующей линии подачи и подачи в электронный модуль управления второго сигнала, представляющего давление, обнаруженное для горючей жидкости.
out
target
Предпочтительно, электронный модуль управления выполнен с возможностью генерации командного сигнала в ответ на первый сигнал и второй сигнал в соответствии с логикой обратной связи, при которой выходное давление p устройства регулятора давления горючего газа следует за эталонным давлением p.
1
Предпочтительно, средство для установления избирательного сообщения между входным каналом и выходным каналом содержит электрический клапан, выполненный с возможностью приема командного сигнала, который является функцией по меньшей мере первого значения p давления горючего газа, обнаруженного в выходном канале.
Предпочтительно, система также содержит третий датчик давления, выполненный с возможностью определения давления горючего газа во входном канале и подачи в электронный модуль управления третьего сигнала, представляющего давление, обнаруженное для горючего газа.
2
Согласно одному варианту осуществления командный сигнал также является функцией второго значения p давления, обнаруженного для горючей жидкости.
3
Согласно одному варианту осуществления командный сигнал также является функцией третьего обнаруженного значения p давления горючего газа, обнаруженного во входном канале.
Предпочтительно, электрический клапан является клапаном пропорционального типа.
Предпочтительно, электрический клапан содержит:
- корпус клапана, снабженный отверстием, расположенным между входным каналом и выходным каналом;
- заслонку, размещенную в отверстии;
соленоид, выполненный с возможностью воздействия на заслонку для ее перемещения внутри отверстия так, что она принимает положение, для которого расход горючего газа, проходящего через отверстие, пропорционален току, протекающему в соленоиде.
Предпочтительно, устройство регулятора давления также содержит:
- выпускной канал;
- выпускной клапан, расположенный на выпускном канале и выполненный с возможностью установления избирательного сообщения между выпускным каналом и указанным выходным каналом.
Предпочтительно, на входном канале расположен запорный клапан.
Краткое описание чертежей
Дополнительные характеристики и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из ориентировочного и, таким образом, неограничивающего описания предпочтительного, но не исключительного варианта осуществления двухтопливной системы подачи для прямого впрыска, как показано на прилагаемых чертежах, на которых:
- на фиг.1 схематично показана двухтопливная система подачи для прямого впрыска согласно известному решению;
- на фиг.2а-2с схематически показаны три варианта осуществления двухтопливной системы подачи для прямого впрыска согласно настоящему изобретению;
- на фиг.3-4 показано устройство регулятора давления для регулирования горючего газа, используемого в двухтопливной системе подачи с прямым впрыском, в двух разных видах в разрезе в перспективе.
Осуществление изобретения
На фиг.2a-2b номером позиции 100 обозначена двухтопливная система подачи для прямого впрыска, в частности для двигателей тяжелых транспортных средств, т. е. для транспортных средств с двигателями, обычно имеющими объем более 3 литров.
Двухтопливная система 100 подачи содержит:
- линию 160 подачи горючей жидкости, в частности дизельного топлива (обозначенную ниже для простоты как «линия дизельного топлива»);
- линию 170 подачи горючего газа, в частности природного газа (обозначенную ниже для простоты как «линия газа»);
- множество двухканальных форсунок 150.
В частности, двухканальные форсунки 150 выполнены с возможностью одновременного впрыска дизельного топлива и природного газа в камеру сгорания (не показана) двигателя.
Такие форсунки относятся к известному типу и далее не описываются. Двухтопливная система 100 подачи содержит устройство регулятора давления для регулирования давления горючего газа, которое обозначено номером позиции 1.
Компоненты выше по потоку от устройства 1 регулятора давления идентичны компонентам предшествующего уровня техники.
В частности, со ссылкой на фиг.2a-2b, обозначено следующее:
- первый резервуар 10, содержащий сжиженный природный газ;
- насос 11 ниже по потоку от первого резервуара 10;
- испаритель 12 для испарения сжиженного природного газа;
- второй резервуар 13, содержащий испаренный природный газ.
Как видно на фиг.3-4, устройство 1 регулятора давления горючего газа содержит:
in
- входной канал 2, выполненный с возможностью приема горючего газа при входном давлении p;
out
in
- выходной канал 3, выполненный с возможностью выпуска горючего газа при выходном давлении p ниже входного давления p;
- электрический клапан 4, размещенный между входным каналом 2 и выходным каналом 3, который выполнен с возможностью установления избирательного сообщения между этими каналами 2, 3.
in
out
Согласно одному варианту осуществления значение входного давления p находится в диапазоне 300-320 бар, а значение выходного давления p - в диапазоне 140-290 бар.
in
out
Согласно другому варианту осуществления входное давление p больше 500 бар, а выходное давление p может достигать 490 бар.
com
1
Электрический клапан 4 выполнен с возможностью приема командного сигнала S, который является функцией по меньшей мере первого значения p давления горючего газа, обнаруженного в выходном канале 3, который соединен с газовой линией 170.
com
2
com
3
Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.2a и 2b, командный сигнал S также является функцией второго обнаруженного значения p давления горючей жидкости, обнаруженного в линии 160 дизельного топлива. Предпочтительно, командный сигнал S также является функцией третьего обнаруженного значения p давления горючего газа, обнаруженного во входном канале 2.
Двухтопливная система 100 подачи содержит электронный модуль ECU управления, который выполнен с возможностью управления подачей горючей жидкости и горючего газа в двухканальные форсунки 150.
com
Командный сигнал S для электрического клапана 4 генерируется электронным модулем ECU управления.
com
out
В ответ на командный сигнал S устройство 1 регулятора давления выдает горючий газ с выходным давлением p.
1
1
Система 100 содержит по меньшей мере один первый датчик 171 давления, выполненный с возможностью обнаружения давления горючего газа (обозначенного выше как «первое давление p») в соответствующей газовой линии 170 и подачи в электронный модуль ECU управления первого сигнала S, представляющего это давление.
2
2
В варианте осуществления, показанном на фиг.2a и 2b, система 100 также содержит второй датчик 161 давления, выполненный с возможностью обнаружения давления дизельного топлива (обозначенного выше как «второе давление p») в соответствующей линии 160 дизельного топлива и подачи в электронный модуль ECU управления второго сигнала S, представляющего это давление.
3
3
Предпочтительно, также имеется третий датчик 131 давления, выполненный с возможностью обнаружения давления горючего топлива (обозначенного выше как «третье давление p») во входном канале 2 и подачи в электронный модуль ECU управления третьего сигнала S, представляющего это давление.
com
1
Электронный модуль ECU управления выполнен с возможностью генерировать командный сигнал S в ответ по меньшей мере на первый сигнал S.
com
2
3
out
target
Предпочтительно, электронный модуль ECU управления выполнен с возможностью генерировать командный сигнал S также в ответ на второй сигнал S и третий сигнал S в соответствии с логикой обратной связи, при которой выходное давление p горючего газа из устройства 1 регулятора давления следует за эталонным давлением p.
target
Эталонное давление p может изменяться в виде функции от условий работы двигателя.
com
Логика обратной связи, реализованная электронным модулем ECU управления для генерации командного сигнала S, идеально учитывает также такие параметры двигателя, как, например:
- обороты в минуту (об/мин, RPM)
- лямбда λ (соотношение воздух-топливо, AFR)
- нагрузка на двигатель (расход атмосферного воздуха).
com
Как можно понять из фигур чертежей и приведенного выше объяснения, нет необходимости подавать горючую жидкость напрямую к устройству 1 регулятора давления, которое вместо этого только реагирует на командный сигнал S.
1
2
3
com
Фиг.2а относится к варианту осуществления, в котором электронный модуль ECU управления представляет собой отдельный электронный модуль, который получает параметры двигателя и три упомянутых выше сигнала S, S, S, и генерирует командный сигнал S.
1
2
3
com
Фиг.2b относится к варианту, в котором модуль ECU управления содержит два отдельных модуля: первый электронный модуль 180, который получает параметры двигателя и отправляет их второму электронному модулю или драйверу 181 (который, как вариант, может быть интегрирован в устройство 1 регулятора давления), который принимает в качестве входных данных также три упомянутых выше сигнала S, S, S и генерирует командный сигнал S.
1
2
3
com_log
com
Фиг.2c относится к другому варианту, в котором модуль ECU управления содержит два отдельных модуля: первый электронный модуль 180, который получает параметры двигателя и который принимает три упомянутых выше входных сигнала S, S, S и генерирует управляющий логический сигнал S, который будет отправлен второму электронному модулю или драйверу 181 (который, как вариант, может быть интегрирован в устройство 1 регулятора давления), который генерирует командный сигнал S.
Предпочтительно, электрический клапан 4 является клапаном пропорционального типа. В частности, он содержит:
- корпус 14 клапана, внутри которого выполнено отверстие 6, расположенное между входным каналом 2 и выходным каналом 3;
- заслонку 5, размещенную в отверстии 6;
- соленоид 7, выполненный с возможностью воздействия на заслонку 5 для ее перемещения внутри отверстия 6 так, что она принимает положение, в котором расход горючего газа, проходящего через отверстие 6, пропорционален току, протекающему в соленоиде 7.
Устройство 1 регулятора давления также содержит выпускной канал 8, с которым связан выпускной клапан 9 для установления избирательного сообщения выпускной линии с выходным каналом 3.
В этом случае имеется два управляющих сигнала: один для электрического клапана 4, а другой для выпускного клапана 9. В общем, могут иметься различные управляющие сигналы, если в устройстве 1 используются различные клапаны, которыми необходимо управлять.
out
В частности, когда выходное давление p горючего газа превышает заданный порог, выпускной клапан 9 открывается, чтобы обеспечить выпуск части или всего горючего газа через выпускной канал 8.
Выпускной канал 8 ведет прямо в окружающую среду или в первый резервуар 10, содержащий сжиженный природный газ.
Предпочтительно, на входном канале 2 имеется запорный клапан 20, представляющий собой предохранительный клапан, выполненный с возможностью прерывания сообщения по текучей среде между входным каналом 2 и выходным каналом 3 в ответ на определенные рабочие условия системы 100.
Например, запорный клапан 20 срабатывает в случае выключения двигателя, или когда система работает только на дизельном топливе, или в случае аварии.
Из приведенного описания, характеристики двухтопливной системы подачи топлива для прямого впрыска согласно настоящему изобретению очевидно являются преимуществами.
Поскольку предлагаемая система подачи осуществляет электронное регулирование давления газа, устраняется соединение по текучей среде с линией подачи дизельного топлива.
Система подачи с форсунками более гибкая, поскольку регулятор получает от модуля управления команду следовать за эталонным или целевым давлением, которое может изменяться (в отличие от того, что происходит в полностью механических решениях).