СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
FUEL SUPPLY CONTROL SYSTEM TO DIESEL INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения и рассматривает конструктивное исполнение системы управления подачей смесевого топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания для реализации газодизельного режима работы.
Известно устройство управления подачей смесевого топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания для реализации газодизельного режима работы. (Патент на полезную модель RU 154478 U1, F02D 41/38, F02D 19/08, 2014 г.)
Недостатками известного устройства управления подачей смесевого топлива является следующее:
Первый недостаток определяется свойствами штатной жидкостной топливной аппаратуры, которая при малых цикловых подачах не может обеспечить равномерного распределения запальной дозы жидкого топлива по цилиндрам в широком диапазоне частот вращения. Соответствующими регулировками топливного насоса можно достичь удовлетворительной равномерности запальной дозы при ее величине, не менее 10-15% от значения на номинальном режиме, но при этом равномерность распределения жидкого топлива по цилиндрам в номинальном режиме дизеля будет нарушена.
Второй недостаток определяется рабочим процессом, протекающим в камере сгорания дизельного двигателя, характеризующимся высоким значением среднего показателя коэффициента избытка воздуха, обусловленным особенностями протекания рабочего процесса на режиме малой цикловой нагрузки (например, на холостом ходу).
Указанные недостатки, а именно неравномерность подачи запальной дозы жидкого топлива и высокое значение среднего показателя коэффициента избытка воздуха на режимах малых цикловых нагрузок (в том числе на режиме работы на холостом ходу) в режиме газодизеля приводит к не качественному сгоранию газового топлива и как следствие к его перерасходу. По мере увеличения цикловой нагрузки на ДВС увеличивается равномерность распределения запальной дозы по цилиндрам, а значение среднего показателя коэффициента избытка воздуха уменьшается, и как следствие, эффект перерасхода газового топлива нивелируется.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационной эффективности работы системы управления подачей топлива в ДВС на режимах малых цикловых нагрузок, включая холостой ход, за счет обеспечения лучшего распределения запальной дозы дизельного топлива по цилиндрам, уменьшения значения среднего показателя коэффициента избытка воздуха, и как следствия, лучшего сгорания газового топлива.
Указанный технический результат достигается тем, что система управления подачей топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания, как минимум с двумя цилиндрами, содержащая устройство формирования цикловой дозы жидкого топлива высокого давления с возможностью управления подачей топлива в зависимости от значения циклов работы двигателя, с выдачей дозы топлива в трубопровод высокого давления, соединенный с форсункой высокого давления, подающей дозу жидкого топлива в камеру сгорания двигателя, датчиком циклов работы двигателя, выполненным с возможностью получения от циклически движущихся частей двигателя сигналов о циклах работы и оборотах вращения коленчатого вала двигателя и формирования сигнала для передачи микропроцессорному модулю, электроуправляемым дозатором газа, связанным с микропроцессорным модулем и выполненным с функцией выдачи дозы газового топлива и смешения с поданной форсункой высокого давления дозой жидкого топлива в камере сгорания двигателя, причем на трубопроводе высокого давления размещен электроуправляемый клапан высокого давления, который связан с микропроцессорным модулем, а микропроцессорный модуль выполнен с возможностью синхронизированного отключения подачи жидкого и газового топлива в часть цилиндров двигателя с реализацией подачи топлива в оставшуюся часть цилиндров по алгоритму минимизации дозы жидкого топлива, за счет соответствующей компенсации дозой газового топлива, при одновременном сохранения требуемой энергии для работы двигателя на заданном режиме.
Преимущественно, электроуправляемый клапан высокого давления на трубопроводе высокого давления может быть выполнен в одном корпусе с форсункой высокого давления соответствующего цилиндра.
Преимущественно, электроуправляемый клапан высокого давления на трубопроводе высокого давления может быть выполнен в одном корпусе с устройством формирования цикловой дозы жидкого топлива соответствующего цилиндра.
В результате исследований по использованию природного газа в качестве топлива в дизельных двигателях внутреннего сгорания установлено следующее:
- природный газ (метан) в отличие от дизельного топлива обладает малым цетановым числом (10 ед.) и, следовательно, плохой воспламеняемостью от теплоты сжатия;
- осуществить воспламенение газа в дизеле со степенью сжатия менее 25 без постороннего источника зажигания смеси невозможно, так как температура воспламенения метана (680°С) существенно выше температуры воспламенения дизельного топлива (280°С);
- для природного газа наиболее приемлемым процессом организации воспламенения рабочей смеси является газодизельный, при котором газовоздушная смесь воспламеняется от небольшой запальной дозы дизельного топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания в конце такта сжатия;
- газодизельный процесс является наиболее экономически оправданным, так как при этом не требуется переделка двигателя и его систем, а только дооборудование двигателя газовой системой подачи (ГСП) и перерегулировка топливной аппаратуры, которая выполняется автоматически с помощью специальных устройств;
- при прекращении подачи газа газодизель может полноценно работать как обычный дизель. В отличие от бензиновых ГСП газодизельный процесс ДВС не только не ухудшает технико-экономические показатели работы автомобиля, но даже несколько увеличивает КПД двигателя (на 1…2%) по сравнению с дизельным циклом;
- эксплуатационный расход дизельного топлива при работе в газодизельном режиме снижается на 75…80%.
Стоимость смесевого топлива для газодизеля определяется стоимостью дизельного топлива и газа с учетом соотношения их расходов. Для уменьшения общей стоимости смесевого топлива стараются уменьшить величину запальной дозы жидкого топлива, которое существенно дороже эквивалентного количества газа.
Например, отключение подачи топлива в одном цилиндре на двух цилиндровом двигателе приведет к необходимости увеличить подачу топлива в другом цилиндре в два раза для компенсации в недостатке цикловой дозы в отключенном цилиндре при условии сохранения требуемого режима работы. Отключение подачи топлива в восьми цилиндрах на двенадцати цилиндровом двигателе приведет к необходимости увеличить цикловую подачу топлива в оставшихся четырех цилиндрах в три раза. Увеличение цикловой нагрузки в цилиндре будет способствовать улучшению качества сгорания газового топлива в газодизеле. В общем виде можно выразить зависимость увеличения цикловой нагрузки в двигателе внутреннего сгорания при отключении подачи топлива в части цилиндров следующей формулой:
K=N/n, где:
К - коэффициент, показывающий во сколько раз увеличивается цикловая доза подачи топлива в двигателе внутреннего сгорания в работающих цилиндрах при отключении подачи топлива в части цилиндров;
N - общее количество цилиндров в двигателе;
n - количество цилиндров, которые остаются в работе (с подачей топлива), разность N-n определяет количество цилиндров, в которых подача топлива отключается.
Для сохранения балансировки двигателя отключение подачи топлива, как правило, осуществляют симметрично в соответствии с последовательностью работы системы газораспределения на конкретном двигателе. Например, в шести цилиндровом двигателе с последовательностью работы цилиндров 1-3-5-6-4-2 отключают цилиндры так, чтобы последовательность работающих цилиндров была 1-6, или 3-4, или 5-2. Для двигателей с большим количеством цилиндров применяется аналогичный алгоритм с сохранением симметрии отключаемых цилиндров для обеспечения балансировки.
На фиг. 1 представлена базовая функциональная схема системы управления подачей топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания, согласно прототипу;
на фиг. 2 - представлена функциональная схема системы управления подачей топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания согласно п. 1 формулы настоящего изобретения;
на фиг. 3 - представлена функциональная схема системы управления подачей топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания согласно п. 2 формулы настоящего изобретения;
на фиг. 4 - представлена функциональная схема системы управления подачей топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания согласно п. 3 формулы настоящего изобретения.
Как показано на фиг. 1, устройство управления подачей смесевого топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания по прототипу следующими позициями обозначены элементы и узлы устройства управления, описание позиций которых для разъяснения функционирования представлено в таблице 1.
Устройство управления используется на дизельном двигателе внутреннего сгорания 1, в каждой из головок которого установлена форсунка 2 высокого давления подачи дизельного топлива в камеру сгорания двигателя. Двигатель оборудован устройством 3 формирования цикловой дозы жидкого дизельного топлива. В качестве устройства формирования цикловой дозы может использоваться топливный насос высокого давления (ТНВД) со встроенным регулятором частоты вращения. Выданная устройством 3 доза жидкого топлива по трубопроводу высокого давления 4 в соответствии с циклами работы двигателя через форсунку 2 высокого давления подается в камеру сгорания двигателя 1. Дизельный двигатель 1 оборудован датчиком 5 циклов работы, который получает от циклически движущихся частей двигателя по каналу 6 передачи информацию о циклах и оборотах вращения коленчатого вала двигателя, и далее по проводной шине 7 сигнал от датчика 5 передается на микропроцессорный модуль управления 8.
Во впускном трубопроводе 9 двигателя установлен электроуправляемый дозатор 10 подачи газового топлива (вход газового топлива на дозатор для простоты не показан), который по проводной шине 7 управляется микропроцессорным модулем 8. Дозированная порция газового топлива, выходя из электроуправляемого дозатора 10, попадает во впускной трубопровод 9, смешивается с потоком воздуха для горения 11 и газовоздушная смесь в соответствии с циклами работы двигателя поступает в камеру сгорания, где в заданный момент смешивается с поданной форсункой 2 запальной дозой жидкого дизельного топлива и, воспламенившись от теплоты сжатия, сгорает, совершая полезную работу. Отработавшие газы 12 отводятся от цилиндра в соответствии с циклами работы двигателя через выпускной трубопровод 13. При некотором, правильно настроенном значении коэффициента топливоподачи газового топлива достигается контролируемое замещение штатного дизельного топлива, новым газообразным топливом.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
Согласно настоящему изобретению рассматривается конструктивное исполнение системы управления подачей смесевого топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания (газодизель) для реализации газодизельного режима работы на режимах малых цикловых нагрузок, включая холостой ход.
В рамках рассматриваемой заявки следующими позициями обозначены следующие элементы и узлы системы управления подачей смесевого топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания для реализации газодизельного режима работы, описание позиций которых представлено в таблице 2 (позиции, общие с позициями по таблице 1, оставлены без изменений)
Согласно настоящему изобретению, система управления подачей топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания для реализации газодизельного режима работы функционирует следующим образом:
Система управления используется на дизельном двигателе внутреннего сгорания 1, как минимум с двумя цилиндрами, в каждом из головок которого установлена форсунка 2 высокого давления подачи дизельного топлива в камеру сгорания двигателя. Двигатель оборудован устройством 3 формирования цикловой дозы жидкого дизельного топлива. В качестве устройства формирования цикловой дозы может использоваться топливный насос высокого давления (ТНВД) со встроенным регулятором частоты вращения. Выданная устройством 3 доза жидкого топлива по трубопроводу высокого давления 4 в соответствии с циклами работы двигателя через форсунку высокого давления 2 подается в камеру сгорания двигателя 1. Дизельный двигатель 1 оборудован датчиком 5 циклов работы, который получает от циклически движущихся частей двигателя по каналу 6 передачи информацию о циклах и оборотах вращения коленчатого вала двигателя, и далее по проводной шине 7 сигнал от датчика 5 передается на микропроцессорный модуль управления 8.
Во впускном трубопроводе 9 двигателя установлен электроуправляемый дозатор 10 подачи газового топлива (вход газового топлива на дозатор для простоты не показан), который по проводной шине 7 управляется микропроцессорным модулем 8. Дозированная порция газового топлива, выходя из электроуправляемого дозатора 10, попадает во впускной трубопровод 9, смешивается с потоком воздуха для горения 11 и газовоздушная смесь в соответствии с циклами работы двигателя поступает в камеру сгорания, где в заданный момент смешивается с поданной форсункой 2 запальной дозой жидкого дизельного топлива и, воспламенившись от теплоты сжатия, сгорает, совершая полезную работу. Отработавшие газы 12 отводятся от цилиндра в соответствии с циклами работы двигателя через выпускной трубопровод 13.
Для осуществления работы двигателя на смеси жидкого и газового топлив на режиме малых цикловых нагрузок (в том числе на режиме холостого хода) система управления снабжена исполнительным устройством в виде электроуправляемого клапана высокого давления 14, расположенного на трубопроводе высокого давления 4. При работе двигателя на режимах малых цикловых нагрузок, микропроцессорный модуль 8 использует специальный алгоритм, по которому осуществляется синхронизированное одновременное отключение подачи запального жидкого и газового топлива, посредством отключения клапана 14 и дозатора 10, в одну часть цилиндров двигателя. В оставшуюся вторую часть цилиндров двигателя поступает смесевое топливо через открытый клапан 14 и работающий дозатор 10, при этом микропроцессорный модуль 8 настраивается так, чтобы обеспечивалась минимальная устойчивая запальная доза жидкого топлива, а недостающая для сохранения заданного режима работы двигателя энергия компенсируются за счет соответствующего увеличения цикловой дозы газового топлива. В этом случае выполняется искусственное увеличение цикловой нагрузки на работающие цилиндры, обеспечивается улучшение распределения подачи запального жидкого топлива, уменьшение коэффициента избытка воздуха и как следствие достигается улучшение качества сгорания газового топлива.
Возможен частный случай, по п. 2 формулы изобретения, реализации функционирования описанной системы управления путем объединения в одном корпусе электроуправляемого клапана высокого давления 14 с форсункой высокого давления 2 соответствующего цилиндра. В качестве форсунки высокого давления с электроуправляемым клапаном может служить стандартная электроуправляемая форсунка Common Rail соответствующей производительности. При этом микропроцессорный модуль 8 должен иметь выходной каскад управления форсункой Common Rail соответствующих параметров.
Кроме того, возможен частный случай, по п. 3 формулы изобретения, реализации функционирования описанной системы управления путем объединения в одном корпусе электроуправляемого клапана высокого давления 14 с индивидуальным плунжерным насосом высокого давления соответствующего цилиндра. В качестве плунжерного насоса высокого давления с электроуправляемым клапаном может служить индивидуальный плунжерный насос с электромагнитным клапаном (например, согласно патенту RU 2253031C1, F02M 51/04, 2003 г.) При этом микропроцессорный модуль 8 должен иметь выходной каскад управления электромагнитным клапаном насоса соответствующих параметров.
По мере увеличения цикловой нагрузки на двигатель алгоритм работы микропроцессорного модуля предусматривает возобновление подачи запального жидкого топлива и газового топлива во все цилиндры синхронизировано с циклами работы.
Указанные выше признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что в настоящем изобретении возможны разнообразные модификации и изменения. Соответственно, предполагается, что настоящее изобретение охватывает указанные модификации и изменения, а также их эквиваленты, без отступления от сущности и объема изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.