УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОГО РЕГУЛЯТОРА ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОДАЧИ ГАЗА, В ЧАСТНОСТИ МЕТАНА ИЛИ ВОДОРОДА, В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ПОДАЧИ ГАЗА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО
ELECTRONIC GAS SUPPLY PRESSURE CONTROL, NAMELY OF METHANE OR HYDROGEN, TO INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND GAS SUPPLY SYSTEM CONTAINING SUCH DEVICE

Настоящее изобретение относится к системам для подачи газа, в частности сжатого природного газа, например метана или водорода, в двигатель внутреннего сгорания, в частности автомобильный двигатель.
В документах ЕР 1593833 A1 и US 7036491 В2 раскрыта система для подачи газа вышеуказанного типа, которая представляется значительным усовершенствованием по отношению к ранее использовавшимся системам для подачи газа, в частности, с точки зрения возможности обеспечения эффективного регулирования давления газа в распределительном коллекторе или газовой рампе при изменении условий работы двигателя. Устройство для подачи газа данного типа, проиллюстрированное в вышеуказанных документах, указано в ограничительной части п.1 прилагаемой формулы изобретения.
На фиг.1 показана схема системы для подачи газа в соответствии с одним из нескольких вариантов осуществления, описанных в вышеуказанных документах. На указанном чертеже ссылочной позицией 1 обозначены инжекторы с электромагнитным управлением, соединенные с разными цилиндрами двигателя, в которые подается сжатый газ из распределительного коллектора или газовой рампы 2. Ссылочной позицией 3 обозначена топливная емкость, используемая в качестве емкости, в которой накапливается сжатый газ, например метан. Выпускное отверстие топливной емкости 3 через трубопровод 4 соединяется с распределительным коллектором 2. В трубопроводе 4 последовательно установлены: предохранительный клапан 5, представляющий собой запорный электромагнитный клапан, предназначенный для блокирования выпускного отверстия топливной емкости 3; датчик давления 6 (в конкретных вариантах осуществления клапан 5 и датчик 6 включены в конструкцию топливной емкости) и редукционный клапан 7. Ссылочной позицией 2а обозначен датчик для определения давления в газовой рампе или распределительном коллекторе 2.
Например, в случае системы для подачи метана исходное давление метана в топливной емкости 3, когда она заполнена, примерно составляет 200 бар. Указанное давление, конечно, падает, по мере того как опорожняется топливная емкость 3, до тех пор пока не будет достигнуто минимальное значение порядка 20 бар.
Однако инжекторы с электромагнитным управлением 1 могут работать при заметно меньшем давлении газа, обычно меньше 10 бар. Клапан 7 предназначен для того, чтобы снизить давление газа до уровня, требуемого для нормальной работы инжекторов 1, в соответствии с расчетными и заданными параметрами.
Конструкция редукционного клапана 7 устройства для подачи газа согласно фиг.1 показана в увеличенном масштабе на фиг.2, где показан вид клапана в продольном сечении.
Как показано на фиг.2, редукционный клапан имеет корпус клапана 8, в котором имеется узкий канал 9, расположенный между впускным каналом 10, выполненным во впускном соединительном элементе 11, и выпускным каналом 12, выполненным в выпускном соединительном элементе 13. Соединительный элемент 11 должен быть соединен с трубопроводом 4 (см. фиг.1), по которому газ поступает из топливной емкости 3. Соединительный элемент 13 должен быть соединен с трубопроводом 14, по которому газ при пониженном давлении подается в газовую рампу 2. Проиллюстрированный пример относится к однокаскадному клапану, который обеспечивает один скачок давления. Однако в соответствии с более ранними по приоритету документами, ничто не мешает создать клапан, который представляет собой последовательность из двух устройств, проиллюстрированных на фиг.2, чтобы обеспечить два скачка давления подряд.
В случае примера, проиллюстрированного на фиг.2, узкий канал 9 образуется с помощью кольца, выполненного из металла или соответствующего пластического материала 15, прижатого к нижней поверхности седла, образованного в корпусе 8 клапана, с помощью соединительного элемента 11, который ввинчивается в корпус 8. Кольцо 15, помимо образования узкого канала 9, также образует седло клапана для элемента открытия/закрытия шарового типа 16, предпочтительно выполненного из металлического материала, который прижимается к седлу клапана с помощью пружины 17, которая расположена между элементом открытия/закрытия шарового типа 16 и противоположной поверхностью, образуемой соединительным элементом 11. Пружина 17 обладает высокой упругостью и низким предварительным натяжением и имеет единственную функцию удерживания элемента открытия/закрытия шарового типа 16 в заданном положении.
Корпус клапана 8 имеет внутреннюю цилиндрическую полость, в которой поршень 18 установлен в скользящей посадке. Поршень 18 обычно имеет цилиндрическую форму и имеет один передний торец, обращенный к камере 19, которая в нижней части образует узкий канал 9 и которая соединяется с выпускным каналом 12. На переднем торце поршня 18 имеется толкатель 20 для проталкивания элемента 16 открытия/закрытия шарового типа в открытое положение, преодолевая сопротивление пружины 17. Противоположный торец поршня 18 обращен к камере 21, образованной в корпусе 8 клапана между поршнем 18 и запирающим элементом 22, закрепленным на корпусе 8. Камера 21 через вспомогательный соединительный элемент 23 соединяется с каналом 24, по которому должен передаваться в камеру 21 регулирующий сигнал давления, стремящийся протолкнуть поршень 18 вниз (как показано на чертежах), для того чтобы удерживать элемент 16 открытия/закрытия шарового типа в открытом положении посредством толкателя 20.
Далее поясняется принцип работы известного редукционного клапана, описанного выше.
В состоянии покоя регулирующее давление, подаваемое в камеру 21, проталкивает элемент 16 открытия/закрытия в его открытое положение, преодолевая сопротивление пружины 17. Газ, поступающий из топливной емкости 3 (см. фиг.1), достигает впускного соединительного элемента 11 и через узкий канал 9 проходит в камеру 19. Из камеры 19 через выпускной соединительный элемент 13 и трубопровод 14 (см. фиг.1) газ доходит до распределительного коллектора 2, при этом давление газа соответствует требуемому для нормальной работы инжекторов 1.
Однако при наличии давления в камере 19 поршень 18 смещается, преодолевая регулирующее давление в камере 21, в направлении камеры 21 до запирания элемента 16 открытия/закрытия в его гнезде в кольце 15. Когда давление в камере 19 вновь снизится до калиброванной величины, регулирующее давление в камере 21 опять сможет переместить поршень 18 в положение, в котором он обеспечивает открытие элемента 16 открытия/закрытия. Таким образом, давление в камере 19 изменяется циклами, оставаясь в любом случае в пределах сниженных значений, требуемых для нормальной работы инжекторов.
Как показано на фиг.1, трубопровод 24, по которому регулирующий сигнал давления поступает в камеру 21 редукционного клапана 7, расположен ниже по потоку регулирующего электромагнитного клапана 25. Конструкция регулирующего электромагнитного клапана 25 показана в увеличенном масштабе на фиг.3. Регулирующий электромагнитный клапан 25 предназначен для получения на впускном соединительном устройстве 26 давления газа в выпускном отверстии топливной емкости 3, которая соединена соединительным элементом 26 через трубопровод 27, отходящий от трубопровода 4 выше по потоку редукционного клапана 7. Регулирующий электромагнитный клапан 25 создает в выпускном соединительном элементе 28 сигнал давления, сниженный относительно давления на впускном отверстии 26, который по трубопроводу 24 передается во вспомогательный соединительный элемент 23 редукционного клапана 7. Как уже было указано выше, поршень 18 клапана 7 проталкивается с помощью сигнала давления, который поступает по трубопроводу 24. Следовательно, путем изменения сигнала давления можно изменять ответный сигнал редукционного клапана 7 и, следовательно, изменять создаваемый им скачок давления или, другими словами, изменять давление газа, поступающего в газовую рампу 2.
Как показано на фиг.1, электронный блок С управления получает от датчика 2а давления сигнал 29, показывающий величину давления, существующего в газовой рампе 2, и сравнивает его с сигналом 30, показывающим требуемое давление в газовой рампе 2 для каждого режима работы двигателя. С этой целью, например, в электронный управляющий модуль может входить запоминающее средство, в котором хранятся заранее составленные карты, которые обеспечивают требуемое значение или диапазон значений давления в газовой рампе 2 при изменении рабочих параметров двигателя. На основе сравнения сигнала 29 с сигналом 30 электронный блок С управления выдает выходной сигнал 31, который регулирует электромагнитный клапан 25, чтобы обеспечить посредством редукционного клапана 7 скачок давления в заданный момент времени. В случае устройства согласно фиг.1 реализована замкнутая система управления давлением в газовой рампе.
Как показано на фиг.3, регулирующий электромагнитный клапан 25 имеет узкий канал 32, образуемый с помощью втулки 33, зажатой в соответствующем седле, образованном в корпусе 34 клапана, с помощью винтовой пружины 35, один конец которой находится в контакте с втулкой 33, а противоположный конец находится в контакте с запирающим элементом 36, ввинчиваемым в корпус 34. Втулка 33 образует также седло клапана для элемента 37 открытия/закрытия шарового типа, который соединяется с якорем 38 электромагнита, включающего соленоид 39 и пружину 40, которая стремится задвинуть элемент открытия/закрытия 37 в закрытое положение. Газ поступает в клапан через канал 41, образованный во впускном соединительном элементе 26, доходит до узкого канала 32 и через него, если элемент 37 открытия/закрытия находится в открытом положении, поступает в камеру, соединенную с выпускным каналом 42, образованным в выпускном соединительном элементе 28.
Соленоид 39 предназначен для регулирования скачка давления между впускным и выпускным отверстиями клапана 25 для того, чтобы обеспечить на выпускном соединительном элементе 28 плавно регулирующееся давление, необходимое для снижения давления в редукционном клапане 7 в соответствии с определенными условиями работы двигателя.
Предпочтительно блок С управления заранее выполняют с возможностью управления периодическими переключениями регулирующего электромагнитного клапана 25 между его закрытым положением и его открытым положением с заранее установленной частотой. Регулирование давления обеспечивается изменением рабочего цикла клапана, то есть изменением в каждом цикле соотношения между периодом открытия и суммарным периодом открытия и закрытия клапана в зависимости от условий работы двигателя и, в частности, от режимов статической и динамической нагрузки двигателя.
Целью настоящего изобретения является усовершенствование вышеописанной системы, в частности, за счет упрощения и усовершенствования ее компонентов.
Согласно первому объекту изобретения создана система для подачи газа, в частности для подачи метана или водорода, в двигатель внутреннего сгорания, содержащая множество инжекторов с электромагнитным управлением, соединенных с различными цилиндрами двигателя; распределительный коллектор или газовую рампу, соединенные с инжекторами; емкость для подачи газа в распределительный коллектор, в которой накапливается сжатый газ; и редукционный клапан, находящийся в соединении между емкостью и распределительным коллектором; при этом редукционный клапан содержит: впускное отверстие, соединенное с емкостью, и выпускное отверстие, соединенное с распределительным коллектором, а также вспомогательное впускное отверстие; и клапанные средства, выполненные с возможностью определения уменьшения давления газа в канале от впускного отверстия до выпускного отверстия, при этом уменьшение давления зависит от сигнала давления, подаваемого во вспомогательное впускное отверстие, причем система дополнительно содержит регулирующий электромагнитный клапан для подачи сигнала давления во вспомогательное впускное отверстие, при этом регулирующий электромагнитный клапан содержит: впускное отверстие, соединенное с топливной емкостью; выпускное отверстие, соединенное со вспомогательным впускным отверстием редукционного клапана, а также с распределительным коллектором; соленоид для управления подвижным якорем, который управляет соединением между впускным отверстием и выпускным отверстием регулирующего электромагнитного клапана для обеспечения заданного уменьшения давления газа в канале от впускного отверстия до выпускного отверстия регулирующего электромагнитного клапана, при этом система для подачи газа дополнительно содержит электронное устройство для управления соленоидом регулирующего электромагнитного клапана, причем редукционный клапан и регулирующий электромагнитный клапан объединены в корпусе единого устройства электронного регулятора давления, причем в корпусе имеется: впускное отверстие для газа, поступающего из топливной емкости; выпускное отверстие для газа, который подается в распределительный коллектор или газовую рампу; канал для соединения между впускным отверстием и редукционным клапаном; канал для соединения между впускным отверстием и регулирующим электромагнитным клапаном; канал для соединения между регулирующим электромагнитным клапаном и редукционным клапаном; канал для соединения между регулирующим электромагнитным клапаном и выпускным отверстием; и канал для соединения между редукционным клапаном и выпускным отверстием, причем устройство дополнительно содержит электронный управляющий модуль для управления соленоидом регулирующего электромагнитного клапана.
Предпочтительно устройство содержит запорный клапан для перекрывания канала подачи газа к впускному отверстию устройства.
Предпочтительно устройство содержит фильтр, через который проходит газ, поступающий в устройство.
Предпочтительно устройство содержит датчик давления газа, поступающего в устройство.
Предпочтительно устройство имеет канал для соединения выпускного отверстия регулирующего электромагнитного клапана с выпускным отверстием устройства, соединенный с распределительным коллектором или газовой рампой, при этом канал для соединения включает канал с узким участком заданных размеров.
Предпочтительно канал с узким участком выполнен в корпусе элемента, разъемным образом закрепленного на корпусе устройства.
Предпочтительно указанным элементом, включающим канал с узким участком, является винт, ввернутый в отверстие, выполненное в корпусе указанного устройства, с его наружной поверхности.
Предпочтительно электронный управляющий модуль содержит электронные средства, выполненные с возможностью сравнения сигнала, показывающего действующее значение давления, существующего в распределительном коллекторе или газовой рампе, с контрольным сигналом давления и управления, на основе указанного сравнения в соответствии с логикой замкнутой петли, соленоидом регулирующего электромагнитного клапана.
Предпочтительно электронные средства выполнены с возможностью осуществления контроля соленоида с помощью генерирования первого сигнала широтно-импульсной модуляции, для того чтобы обеспечить изменение уровня снижения давления, обусловленного регулирующим электромагнитным клапаном, посредством изменения рабочего цикла электромагнитного клапана, то есть посредством изменения соотношения между периодом открытия и суммарным периодом открытия и закрытия электромагнитного клапана в каждом цикле.
Предпочтительно первый сигнал широтно-импульсной модуляции включает, для каждого цикла открытия регулирующего электромагнитного клапана, импульс, имеющий первую часть с большей интенсивностью для обеспечения открытия клапана и вторую часть с меньшей интенсивностью для удерживания регулирующего электромагнитного клапана в открытом положении.
Предпочтительно электронные средства выполнены с возможностью сравнения сигнала, показывающего действующее значение тока, существующего в соленоиде регулирующего электромагнитного клапана, с контрольным сигналом тока для управления, на основе указанного сравнения, в соответствии с логикой замкнутой петли, силой тока первой части с большей интенсивностью и/или второй части с меньшей интенсивностью, для управления силой тока в соленоиде в открытом положении.
Предпочтительно электронные средства выполнены с возможностью осуществления проверки силы тока в соленоиде в открытом положении с помощью генерирования второго сигнала широтно-импульсной модуляции, наложенного на первый сигнал широтно-импульсной модуляции, который изменяет степень снижения давления, обусловленного регулирующим электромагнитным клапаном посредством изменения рабочего цикла электромагнитного клапана.
Предпочтительно контрольным сигналом давления является заданная величина, хранящаяся в электронном управляющем модуле.
Предпочтительно контрольный сигнал давления выдается электронным блоком управления, с которым связан электронный управляющий модуль, для осуществления регулировки регулирующего клапана в соответствии с рабочими условиями.
Предпочтительно система содержит мостовую схему, подключенную между электронным управляющим модулем и соленоидом, выполненную с возможностью подачи тока в соленоид и разряда части тока.
Согласно второму объекту изобретения создано устройство электронного регулятора давления для системы для подачи газа, в частности для подачи метана или водорода в двигатель внутреннего сгорания, имеющее корпус с впускным отверстием, которое соединяется с топливной емкостью с газом, и выпускным отверстием, которое соединяется с распределительным коллектором или газовой рампой системы для подачи газа в цилиндры двигателя, при этом в корпусе объединены редукционный клапан для уменьшения давления газа, поступающего из топливной емкости, до величины, требующейся для подачи газа в распределительный коллектор или газовую рампу, и регулирующий электромагнитный клапан, выполненный с возможностью генерирования сигнала регулирования давления, от которого зависит степень снижения давления, осуществляемого с помощью редукционного клапана, а также каналы для соединения между указанными клапанами и между каждым из указанных клапанов и впускным отверстием и выпускным отверстием устройства, при этом устройство дополнительно содержит электронный управляющий модуль для управления регулирующим электромагнитным клапаном.
Предпочтительно устройство включает в себя запорный клапан для перекрывания канала подачи газа к впускному отверстию устройства.
Предпочтительно устройство включает в себя фильтр, через который проходит газ, поступающий в устройство.
Предпочтительно устройство включает в себя датчик для измерения давления газа, поступающего в устройство.
Предпочтительно устройство имеет канал для соединения выпускного отверстия регулирующего электромагнитного клапана с выпускным отверстием устройства, соединенный с распределительным коллектором или газовой рампой, при этом канал для соединения включает в себя канал с узким участком заданных размеров.
Предпочтительно канал с узким участком выполнен в корпусе элемента, закрепленного разъемным образом на корпусе устройства.
Предпочтительно элементом, включающим канал с узким участком, является винт, вкрученный в отверстие, выполненное в корпусе указанного устройства, с его наружной поверхности.
Предпочтительно электронный управляющий модуль содержит электронные средства, выполненные с возможностью сравнения сигнала, показывающего действующее значение давления, существующего в распределительном коллекторе или газовой рампе, с контрольным сигналом давления и управления, на основе указанного сравнения, в соответствии с логикой замкнутой петли, соленоидом регулирующего электромагнитного клапана.
Предпочтительно электронные средства выполнены с возможностью осуществления контроля соленоида с помощью генерирования первого сигнала широтно-импульсной модуляции, для того чтобы обеспечить изменение степени снижения давления, обусловленного регулирующим электромагнитным клапаном, посредством изменения рабочего цикла электромагнитного клапана, то есть посредством изменения соотношения между периодом открытия и суммарным периодом открытия и закрытия электромагнитного клапана в каждом цикле.
Предпочтительно первый сигнал широтно-импульсной модуляции включает, для каждого цикла открытия регулирующего электромагнитного клапана, импульс, имеющий первую часть с большей интенсивностью для обеспечения открытия регулирующего электромагнитного клапана и вторую часть с меньшей интенсивностью для удерживания указанного регулирующего электромагнитного клапана в открытом состоянии.
Предпочтительно электронные средства выполнены с возможностью сравнения сигнала, показывающего действующее значение тока, существующего в соленоиде, с контрольным сигналом тока, и управлять на основе указанного сравнения, в соответствии с логикой замкнутой петли, силой тока в соленоиде первой части с большей силой тока и/или второй части с меньшей силой тока.
Предпочтительно электронные средства выполнены с возможностью осуществления проверки силы тока открытия в соленоиде с помощью генерирования второго сигнала широтно-импульсной модуляции, наложенного на первый сигнал широтно-импульсной модуляции, который изменяет степень снижения давления, обусловленного регулирующим электромагнитным клапаном путем изменения рабочего цикла электромагнитного клапана.
Предпочтительно контрольным сигналом давления является заданная величина, хранящаяся в электронном управляющем модуле.
Предпочтительно контрольный сигнал давления выдается электронным блоком управления, с которым связан электронный управляющий модуль, для осуществления управления регулирующим клапаном в соответствии с рабочими условиями.
Предпочтительно устройство выполнено с возможностью соединения с мостовой схемой для подачи тока из электронного управляющего модуля в соленоид и разряда части тока.
Настоящее изобретение будет описано ниже со ссылкой на предпочтительный вариант осуществления, проиллюстрированный только в качестве неограничивающего примера на прилагаемых чертежах, на которых:
Фиг.1-3 - описанные выше устройства согласно известному уровню техники;
Фиг.4 и 5 - виды в перспективе устройства электронно-механического регулятора давления, составляющего часть системы в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.6А и 6В - просматриваемые насквозь виды в перспективе составляющих элементов устройства, показанного на фиг.4 и 5;
Фиг.7, 8 и 9 - виды в поперечном сечении некоторых элементов устройства согласно фиг.4-6;
Фиг.10 - схема электронного управляющего модуля соленоида регулирующего электромагнитного клапана;
Фиг.11 - схема системы в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.12А, 12В и 12С - графики временной зависимости для сигналов, генерируемых электронным модулем с фиг.10; и
Фиг.13 - вариант фиг.4.
Фиг.1-3 относятся к известному уровню техники более ранних патентов, уже описанных выше.
На фиг.4-11 ссылочной позицией 43 обозначено все устройство электронно-механического регулятора давления, созданного в соответствии с настоящим изобретением. Устройство 43 имеет корпус 44 призматической формы, имеющий переднюю поверхность 45 (см. фиг.5), заднюю поверхность 46 (см. фиг.4), две боковые поверхности 47, нижнюю поверхность 48 (см. фиг.5) и верхнюю поверхность 49 (см. фиг.4). Задняя поверхность 46 имеет выступающий элемент 50.
Как показано на фиг.7, корпус 44 имеет полость, начинающуюся с нижней поверхности 48, в которой размещается клапан 7 регулирования давления. Подобно уже описанному клапану 7 регулирования давления, соответствующему известному уровню техники (см. фиг.2), клапан 7 регулирования давления, показанный на фиг.7, имеет поршень 18, который установлен в скользящей посадке в цилиндрической части полости 51 с помощью колец 52 и 53. Один торец поршня 18 выходит в камеру 19, которая соединяется через канал 54 (см. фиг.6А, 6В и 7) с отверстием 55, выполненным в поверхности 47 устройства (см. фиг.4 и 5), для установки выпускного соединительного элемента, к которому может быть подсоединен трубопровод 14 (см. фиг.11), по которому газ из выпускного отверстия устройства 43 поступает в распределительный коллектор или газовую рампу 2. Камера 19 также соединяется с проходом или каналом 56 для подачи сжатого газа, поступающего из емкости, через узкий канал 9, образованный кольцом 15, расположенным в соответствующем гнезде, образуемом поверхностью полости 51. По аналогии с показанным устройством, относящимся к известному уровню техники (см. фиг.2), соединение регулируется с помощью элемента 16 открытия/закрытия шарового типа, который подпирается пружиной 17, предварительно установленной в расширенной торцевой части канала 56, которая переходит в полость 51. Пружина 17 стремится прижать элемент 16 открытия/закрытия шарового типа к коническому седлу, образованному на передней поверхности кольца 15, обращенной к элементу 16 открытия/закрытия шарового типа для того, чтобы закрыть проход через узкий участок 9. По аналогии с уже описанным известным устройством, показанным на фиг.2, элемент 16 открытия/закрытия шарового типа может передвигаться в направлении открытого положения соединения, преодолевая сопротивление пружины 17, с помощью толкателя 20, который жестко закреплен на торце поршня 18 со стороны камеры 19.
Противоположный торец поршня 18 выходит в камеру 21, образующуюся между поршнем 18 и запирающим элементом 57, который установлен в полости 51 с уплотнительным кольцом 58 и который имеет торцевую часть, по форме напоминающую прямоугольную пластину с отверстием в центре, прикрепляемую с помощью винтов к нижней поверхности 48 (см. фиг.5) корпуса устройства 43. Камера 21 соединяется через одно или более радиальных отверстий 57а, выполненных в корпусе элемента 57, с кольцевой камерой 57b, образованной кольцевой канавкой элемента 57. Камера 57b в свою очередь соединяется с каналом 58 (см. фиг.6А), который выполнен в корпусе устройства 43, в который должен поступать газ, выходящий из регулирующего электромагнитного клапана 25, как будет подробно описано ниже.
На одной из двух боковых поверхностей 47 устройства 43 с помощью винтов закрепляется пластина 59 (см. фиг.4 и 5), которая закрывает седло, выходящее на поверхность, куда устанавливается фильтр 60 (см. фиг.6А и 6В) для фильтрации газа, поступающего из емкости. Газ, выходящий из емкости, поступает в корпус 44 устройства 43 через впускной соединительный элемент (не показан), который установлен во впускном отверстии 61 (см. фиг.5, 6А и 6В), выполненном на передней поверхности 45 корпуса 44 устройства 43. Газ, который поступает через впускное отверстие 61, достигает канала 56 (см. фиг.7), по которому газ проходит в редукционный клапан 7, после чего он проходит через фильтр 60 посредством каналов, не видимых на чертежах.
Кроме того, соединение между впускным отверстием 61 и каналом 56 регулируется с помощью запорного электромагнитного клапана 62 (см. фиг.4, 5, 6А и 6В), расположенного за фильтром, являющего устройством известного типа, которое размещается в седле, выполненном в корпусе устройства, начиная от верхней поверхности 49. На указанной поверхности установлен корпус 62а электромагнита, связанный с запорным клапаном.
На верхней поверхности корпуса 44 также выполнено гнездо 63 (см. фиг.6А и 6В) для датчика давления газа, поступающего в устройство, при этом датчик включает в себя верхнюю часть 63а, выступающую над верхней поверхностью 49 корпуса 44 устройства.
Как показано, в частности, на фиг.6В, ответвлением от канала 56, по которому газ под высоким давлением поступает в редукционный клапан 7, является канал 64, по которому газ под высоким давлением поступает в регулирующий электромагнитный нагнетательный клапан 25.
Регулирующий клапан 25 установлен в полости 65 (см. фиг.8), выполненной в корпусе 44 устройства 43, начиная от наклонной поверхности 50а (см. фиг.4) выступающего элемента 50.
Как показано на фиг.8, по аналогии с описанием уже известного регулирующего электромагнитного клапана, показанного на фиг.3, регулирующий клапан 25, образующий часть устройства в соответствии с настоящим изобретением, содержит узкий канал 32, выполненный по центру вдоль оси диска 33, который закреплен на торцевой поверхности полости 65, в которой заканчивается канал 64. Один конец узкого канала 32 может быть закрыт с помощью элемента 37 открытия/закрытия шарового типа, удерживаемого подвижным якорем 38 электромагнита, включающим соленоид 39, расположенный в корпусе для втулки 39а, закрепленной в полости 65. Пружина 40 размещается в гнезде, выполненном в центральном толкателе, образующем неотъемлемый элемент втулки, поддерживающей соленоид и стремящейся продвинуть якорь 38 в положение для закрытия узкого канала 32. Якорь 38 образуется с помощью диска, обращенного к одному концу соленоида 39 таким образом, чтобы более эффективно использовать линии магнитного потока, создаваемого соленоидом, по сравнению с более традиционными конструкциями электромагнита, в которых подвижным якорем является толкатель, который пересекает соленоид в осевом направлении.
На наружной стороне корпуса, поддерживающего соленоид, закрепляется съемная крышка 66 типа колпачка (см. фиг.4), которая содержит и защищает электронный модуль для управления соленоидом 39.
Когда соединение через узкий канал 32 открыто, газ, поступающий из канала 64, проходит в камеру 67 с понижением давления. Газ со сниженным давлением, поступающий из камеры 67, проходит через канал 58 (см. фиг.6А) в камеру 21 (см. фиг.7) редукционного клапана 7.
Как показано на фиг.9, канал 58 также пересекает отверстие 68, расположенное в наклонной поверхности 50а корпуса 44, на резьбе которого крепится винт 69 (см. также фиг.4). Указанный винт имеет корпус с частью ограниченного диаметра, которая образует, вместе со стенкой отверстия 68, угловую камеру 70. Указанная угловая камера 70, которая таким образом соединяется с каналом 58 (см. фиг.6А), проходящим от выпускного отверстия регулирующего клапана 25, соединяется также с каналом 54 для выпуска газа из устройства 43 через узкое отверстие 71 калиброванного диаметра, проходящее в радиальном направлении через корпус винта 69 и заканчивающееся в аксиальном канале 72, который также выполняется в корпусе винта 69 и в свою очередь заканчивается в конце корпуса винта в канале 54.
Следовательно, как можно видеть, выпускное отверстие регулирующего электромагнитного клапана 25, кроме того, что оно соединяется с камерой 21 редукционного клапана 7, также соединяется непосредственно с распределительным коллектором или газовой рампой с помощью узкого канала 71. Указанный узкий канал доказал свою эффективность для нормальной работы регулирующего электромагнитного клапана и всего электронно-механического регулятора давления. Специальная установка, описанная выше, обеспечивает дополнительное преимущество возможности использования разных винтов с разными диаметрами узкого отверстия, так чтобы легко изменять диаметр отверстия 71 в соответствии с конкретными требованиями функционирования.
Канал 54, который ведет к выпускному отверстию устройства, соединяется также через канал 73 (см. фиг.6А) с полостью, выходящей на наклонную поверхность 50а, на которой устанавливается клапан предельного давления 74 (по существу известного типа и поэтому здесь не показан), предназначенный для выпуска газа наружу в том случае, если давление в канале 54 превышает заданное и калиброванное значение.
Как показано на фиг.4 и 5, в корпусе 44 устройства 43 имеются также впускной соединительный элемент 75 и выпускной соединительный элемент 76 для нагревания жидкости, которая циркулирует через канал (не показана на чертежах), выполненные в корпусе 44 с целью предотвращения образования льда, связанного с охлаждением, обусловленным расширением газа в устройстве. В качестве альтернативы можно использовать электрические нагревательные устройства. Однако следует также заметить, что охлаждение, обусловленное расширением газа, по крайней мере, отчасти выгодно, для того чтобы обеспечить нормальную работу электронного модуля, образующего часть устройства, и наоборот, нагревание компонентов электронного модуля во время работы компенсирует, по крайней мере, отчасти чрезмерное охлаждение, обусловленное расширением газа.
Пример варианта осуществления электронного управляющего модуля соленоида 39 регулирующего клапана 25 показан на фиг.10, на котором он обозначен ссылочной позицией 77. Как уже было отмечено ранее, настоящее изобретение отличается также тем, что электронный управляющий модуль регулирующего клапана входит с состав устройства согласно изобретению.
Как уже было описано выше, соленоид 39 электромагнитного клапана 25 управляется с помощью электронного модуля с помощью сигнала широтно-импульсной модуляции, для того чтобы обеспечить изменения давления в регулирующем клапане 25 путем изменения рабочего цикла клапана, то есть путем изменения соотношения между периодом открытия клапана и суммарным периодом открытия и закрытия клапана в каждом цикле.
Поэтому электронный модуль 77 содержит, в частности, управляющую логику 110, например, обеспечиваемую с помощью заказной специализированной интегральной схемы. Указанная управляющая логика 110 обеспечивает общее управление формой сигнала тока, поступающего в соленоид 39 в виде сигнала Р1 широтно-импульсной модуляции. В проиллюстрированном здесь примере указанный сигнал Р1 широтно-импульсной модуляции передается с частотой 20 Гц.
Соленоид 39 электромагнитного клапана 25 (не показан на фиг.11) подключен между положительной клеммой 113 и отрицательной клеммой 112 на выходе электронного модуля 77, на который сигнал Р1 широтно-импульсной модуляции поступает через управляющий каскад 150, создаваемый с помощью каскадов усилителя тока, то есть с помощью схем, способных обеспечивать высокие максимальные токи за очень короткие периоды времени (обычно всего несколько десятков наносекунд), а также с помощью мостовой схемы 190, имеющей внешнее соединение через соответствующие клеммы электронного модуля 77. Работа мостовой схемы 190 будет описана ниже более подробно.
Электронный управляющий модуль соленоида 77 содержит множество входных клемм, а именно:
на входную клемму 100 поступает сигнал L снижения оборотов двигателя, генерируемый блоком С управления двигателя, который через интерфейсный модуль 120 локальной сети типа LIN передается в управляющую логику 110 для передачи команд из электронного блока управления двигателя;
rail
tank
rail
rail
р
на входную клемму 101 поступает сигнал, принимаемый с помощью специально установленного датчика, которым может быть датчик 2а с фиг.1, который связан с блоком С управления двигателя, или же отдельный датчик, причем сигнал показывает давление P в газовой рампе 2, в то время как на соответствующие клеммы 102 и 103 поступает сигнал давления P в емкости 3 и сигнал температуры Temp в коллекторе; при этом сигналы, поступающие на клеммы 101, 102, 103, являются входными сигналами мультиплексора 140, который из указанных сигналов выбирает сигнал, который должен передаваться в управляющую логику 110 после предварительного преобразования в 8-разрядный цифровой сигнал, осуществляемого в аналого-цифровом преобразователе 130; причем в предпочтительном варианте электронного модуля 77 представлен только сигнал, показывающий давление P в газовой рампе 2, так что мультиплексор 140 не требуется, а аналого-цифровой преобразователь на основе сигнала, показывающего давление P в газовой рампе 2, формирует цифровой сигнал обратной связи по давлению Х;
batt
DD
GND
на входную клемму 103 подается напряжение V батареи, управляемое с помощью ключа зажигания, которое подается в блок 160 питания электронного модуля 77; при этом блок 160 питания подает напряжение, например 5 В, для обеспечения функционирования управляющей логики 110; кроме того, он работает также как регулирующее устройство для подачи стабилизированного напряжения 18 В в интерфейсный модуль 120 локальной сети, в случае скачков напряжения в нагрузке, выполняя функцию так называемого разгрузочного элемента; причем при высоких напряжениях, например, превышающих 27 В, интерфейсный модуль 120 локальной сети действительно может выйти из строя; кроме того, электронный модуль 77 содержит источник 165 питания датчиков для подачи на выходную клемму 105 цифрового напряжения V питания для датчиков, а также на выходную клемму 106 соответствующего цифрового сигнала точки S заземления;
на входную клемму 115 из блока управления поступает также сигнал ШИМ для генерирования широтно-импульсной модуляции; причем указанный сигнал, который затем передается непосредственно в управляющую логику 110, является избыточным по отношению к информации, содержащейся в сигнале L снижения оборотов двигателя; так что фактически он представляет собой резервный сигнал, передаваемый во избежание возможных размыканий проводов, которые соединяют электронный модуль 77 с блоком С управления двигателя.
Управляющая логика 110 содержит контроллер 119 пропорционально-интегрального типа, который обеспечивает, на основе требуемого давления, определяемого блоком управления С как контрольное (заданное) значение в зависимости от регулятора или, как более подробно описано ниже, определяемого непосредственно в электронном модуле 77 в зависимости от регулятора, сигнала Р1 широтно-импульсной модуляции. В качестве примера показан контроллер 119 пропорционально-интегрального типа, однако понятно, что в управляющей логике 110 могут быть реализованы и другие типы контроллеров. Сигнал Р1 широтно-импульсной модуляции достигает электрода затвора МОП-транзистора 171, входящего в состав мостовой схемы 190, электрод истока которого соединен с положительной клеммой 113 соленоида 39. Провод, который соединяет контроллер 119 с отрицательной клеммой 112 соленоида 39, вместо передачи модулированного сигнала, обеспечивает постоянный уровень тока при открытии соленоида 39. Указанный провод через клемму 111 соединен с электродом затвора второго МОП-транзистора 172, электрод стока которого соединен с клеммой 112. Между электродами стока МОП-транзисторов 171 и 172 подключен первый диод 173, а второй диод 174 подключен между клеммой 108, соединенной в свою очередь с заземляющим электродом GND на клемме 107, и электродом истока МОП-транзистора 171. МОП-транзисторы 171 и 172 и диоды 173 и 174 образуют мостовую схему 190, имеющую внешнее соединение с электронным модулем 77 через клеммы 108, 109, 111, 112, 113, 114 и 115. Указанное внешнее соединение выбрано в основном для ограничения габаритных размеров электронного модуля 77, хотя, конечно, можно включить мостовую схему 190 в электронный модуль 77.
Таким образом, электронный модуль 77 содержит также входные клеммы 115 и 109, которые по цепям обратной связи через соответствующие усилители 151 и 152 в модуле 77 подают напряжение электрода стока МОП-транзистора 171 и напряжение электрода истока МОП-транзистора 172 в контроллер 119 для обеспечения функции диагностики на основе непрерывного контроля напряжения между стоком и истоком МОП-транзисторов 171 и 172.
МОП-транзистор 171 имеет свой собственный электрод стока, соединенный с клеммой 116, на который подается непосредственно напряжение VBD аккумуляторной батареи, то есть напряжение, снимаемое непосредственно с полюса аккумулятора автомобиля без регулировки под контролем ключа зажигания. Полевой транзистор 172 имеет свой собственный электрод истока, соединенный с клеммой 109.
I
Кроме того, имеется считывающий резистор 180, подключенный между электродом истока МОП-транзистора 172 и землей GND, для измерения силы тока I в соленоиде 39. Считывающий резистор 180 также обычно имеет внешнее соединение с электронным модулем 77. В представленном примере действующего устройства, как более подробно объясняется ниже, при уровнях тока 12 А и 5 А считывающий резистор 180 имеет сопротивление 10 мОм. Параллельно считывающему резистору 180, между клеммами 109 и 108, в электронном модуле 77 находятся входы усилителя 166, который подает измеренное значение тока после усиления на инвертирующий вход второго дифференциального усилителя 164. Усилитель 164 принимает на своем другом входе выходной сигнал цифроаналогового преобразователя 162, который преобразует 8-разрядный цифровой сигнал X, представляющий собой требуемое или контрольное значение тока.
I
Таким образом, на выходе усилителя 164 имеется аналоговый сигнал Е токовой погрешности, представляющий собой разность между силой тока I, существующего в соленоиде 39, и требуемым значением силы тока X. Указанный аналоговый сигнал Е токовой погрешности поступает на инвертирующий вход другого дифференциального усилителя 117, находящегося в управляющей логике 110, на другой вход которого из генератора 118, также входящего в состав управляющей логики 110, подается высокочастотный сигнал треугольной формы, например с частотой 30 кГц. На основе разности указанных сигналов и в зависимости от уровня аналогового сигнала Е токовой погрешности на выходе дифференциального усилителя 117, в соответствии со стратегией генерирования сигналов широтно-импульсной модуляции, в сущности известной, формируется второй сигнал Р2 широтно-импульсной модуляции, генерируемый с частотой порядка 30 кГц и с рабочим циклом, изменяющимся в зависимости от аналогового сигнала Е токовой погрешности. Второй сигнал Р2 широтно-импульсной модуляции подается в контроллер 119 для осуществления второй модуляции, которая накладывается на первый сигнал Р1 широтно-импульсной модуляции.
rail
На графике с фиг.12А более подробно показан первый сигнал Р1 широтно-импульсной модуляции, который имеет суммарный период Т, хотя высокий уровень тока I поддерживается в течение периода ТО, соответствующего положению открытия электромагнитного клапана 25. Как уже было сказано, при изменении периода ТО изменяется соотношение между периодом открытия клапана и суммарным периодом открытия и закрытия клапана в каждом цикле. Таким образом, обеспечивается регулирование или уменьшение давления посредством замкнутой схемы управления на основе требуемого давления или заданного значения, получаемого блоком С управления двигателя (в случае регулятора) или определяемого путем перегорания предохранителей в энергонезависимой памяти в управляющей логике (в случае редуктора), а также на основе сигнала давления, существующего в газовой рампе 2, которая подается по цепи обратной связи, а именно сигнал давления в газовой рампе P.
Для пояснения на фиг.12 В показана форма сигнала Р1 широтно-импульсной модуляции, аппроксимированная для удобства представления в виде прямоугольного импульса, как на фиг.12А, для того чтобы представить в более понятной форме временную зависимость первой импульсной модуляции. Как можно заметить из графика на фиг.12В, сигнал Р1 прямоугольной формы на самом деле является двухуровневым сигналом, который включает первый, более высокий уровень пикового тока I1, относящийся к пиковому периоду Т1, и второй, более низкий уровень удерживающего тока I2, относящийся к последующему периоду удержания Т2. Сумма периодов Т1 и Т2, конечно, соответствует периоду ТО открытия клапана, однако период Т1 соответствует начальному этапу открытия клапана, который требует более высокого значения силы тока для перемещения подвижного элемента, например 12А, тогда как период Т2 соответствует удержанию клапана в открытом положении, который требует меньшей силы тока, например 5А. При изменении периода ТО открытия предпочтительно, чтобы пиковый период Т1 изменялся только до максимальной величины (например, 2,5 мс) и не более, учитывая то, что остальное изменение периода открытия ТО получается за счет периода удержания Т2.
I
На фиг.12С представлена часть сигнала согласно фиг.12В, соответствующая, в частности, первому уровню пикового тока I1. На основании показанного на фиг.12С можно понять, как в действительности указанный уровень тока, а также, с другой стороны, второй уровень удерживающего тока I2 получаются с помощью модуляции, используемой посредством сигнала широтно-импульсной модуляции Р2, управляемого посредством описанной схемы управления током и проходящего через блоки 162, который обеспечивает требуемое значение тока X, 166, 164, 118 и 117, а также посредством использования считывающего резистора 180, который обеспечивает в цепи обратной связи значение тока I, существующего в соленоиде 39 клапана 25.
Использование второго сигнала Р2 широтно-импульсной модуляции обусловлено, в частности, присутствием в качестве исполнительного элемента соленоида 39 клапана 25, который не может работать при постоянном уровне тока, учитывая его индуктивный характер. В связи с этим мостовая схема 190, когда посредством второго сигнала Р2 широтно-импульсной модуляции используется максимальный ток, то есть уровень I1, следит за тем, чтобы часть тока разряжалась через диод 174 до тех пор, пока, в следующем цикле второго сигнала широтно-импульсной модуляции Р2, уровень тока в МОП-транзисторе 171 и, следовательно, на положительной клемме 113, соединенной с соленоидом 39, вновь поднимется до 12А.
BD
При этом МОП-транзистор 172 на отрицательной клемме 112 во время открытия клапана приходит в открытое состояние и принимает постоянный уровень, а не сигнал широтно-импульсной модуляции. Диод 173 в мостовой схеме 190 выполняет функцию дополнительного защитного элемента для того, чтобы не допустить повышения напряжения, накапливающегося на соленоиде 39, выше непосредственного напряжения V аккумуляторной батареи, что может стать причиной отказов.
На фиг.11 показана схема устройства для подачи газа в соответствии с настоящим изобретением. На указанной схеме элементы 5 и 6 не показаны, поскольку они включены в состав топливной емкости 3. Благодаря использованию устройства 43 электронно-механического регулятора давления, компоненты системы включают в себя только топливную емкость 3, трубопровод подачи газа 4, по которому газ под высоким давлением поступает из выпускного отверстия топливной емкости 3, снабженной обычным запорным клапаном, к впускному соединительному элементу устройства 43, и канал 14, по которому газ под низким давлением поступает из выпускного отверстия устройства 43 в коллектор или газовую рампу 2.
Таким образом, в первом варианте осуществления можно предположить, что единственным электронным управляющим устройством регулирующего клапана является электронный модуль 77, установленный непосредственно на корпусе 44. В этом случае устройство в соответствии с изобретением может функционировать без подключения к электронному блоку С управления двигателя автомобиля. Электронный модуль 77 для управления устройством 43 программируется для обеспечения снижения давления газа, поступающего из газового баллона, в соответствии с требуемым и заранее установленным критерием, с высокой степенью точности, например, порядка 0,1 бар. Построенное таким образом устройство 43 представляет собой электронный редуктор.
rail
Как более подробно показано на схеме с фиг.11, замкнутая система управления, в случае электронного редуктора, обеспечивается посредством получения по каналу обратной связи давления P, существующего в газовой рампе 2, на клемме 101 и посредством считывания требуемой величины давления из энергонезависимой памяти, связанной с контроллером 119. Предпочтительно, если для хранения требуемого давления в энергонезависимой памяти используется запоминающее устройство с плавкими предохранителями, которое вначале определяет множество значений требуемого давления, например восемь значений, и таким образом путем перегорания, перед окончательным использованием редуктора, соответствующих предохранителей в энергонезависимой памяти, для того чтобы определить одно значение требуемого давления для замкнутой системы управления по величине давления. Понятно, что в таком случае интерфейсный модуль 120 локальной сети может не использоваться, по крайней мере, для целей регулирования давления. В качестве альтернативы, конечно, можно использовать другие типы энергонезависимой памяти, такие как электрически стираемые программируемые ПЗУ или флэш-ПЗУ, помимо ЗУ с плавкими предохранителями, для хранения требуемой величины давления, хотя память с плавкими предохранителями является очень недорогим решением, пригодным для малых объемов хранимой информации.
Во втором варианте осуществления, соответствующем схеме, показанной на фиг.11, электронный модуль 77 устройства 43 соединен и подключен к электронному блоку С управления двигателя, в частности, через клеммы 100 и 116, и взаимодействует с ним для того, чтобы знать в каждом случае режим работы двигателя и в соответствии с ним регулировать снижение давления, согласно программируемой логике, в зависимости от условий работы двигателя.
При эксплуатации редукционный клапан 7 работает точно так же, как было описано со ссылкой на известный уровень техники. Как показано на фиг.7, в каждом рабочем режиме газ, поступающий из топливной емкости, проходит в корпус устройства через впускное отверстие 61, проходит через фильтр 60 и через запорный клапан 62, который при нормальной работе двигателя открыт, и достигает канала 56. Газ под высоким давлением поступает, с другой стороны, опять через канал 56 и канал 64, который ответвляется от него, в регулирующий клапан 25, который вынуждает его проходить через узкий канал 32, для того чтобы газ при пониженном давлении проходил в камеру 21 клапана 7. Таким образом, поршень 18 двигается вверх (как показано на фиг.7), тем самым перемещая посредством толкателя 20 элемент 16 открытия/закрытия шарового типа в открытое положение, преодолевая сопротивление пружины 17, так что газ, под высоким давлением поступающий из канала 56, может проходить через узкий канал 9 клапана 7 с понижением давления до требуемого уровня и, следовательно, поступает в распределительный коллектор или газовую рампу 2 при указанном пониженном давлении через камеру 19, канал 54 и выпускное отверстие 55 устройства 43. Как уже было описано выше со ссылкой на известный уровень техники, степень снижения давления газа от давления, под которым газ находится в топливной емкости 3, до давления, под которым он поступает в распределительный коллектор или газовую рампу 2, зависит от сигнала давления, который достигает камеры 21 и который определяется с помощью регулирующего клапана 25.
Как становится понятно из вышеприведенного описания, изобретение предполагает предельное упрощение и усовершенствование системы для подачи газа в двигатель путем создания единого электронно-механического блока, который объединяет в себе редукционный клапан и регулирующий клапан, а также другие возможные вспомогательные устройства, такие как запорный клапан, фильтр, датчик давления, клапан предельного давления. Все каналы для соединения между указанными компонентами выполнены в корпусе устройства. Кроме того, в это же устройство непосредственно входит электронный управляющий модуль, для того чтобы создать функционально законченное устройство, которое при необходимости должно просто устанавливаться в соединении между топливной емкостью и распределительным коллектором или газовой рампой, предусматривая, кроме того, возможность соединения между электронным управляющим модулем устройства и электронным блоком управления двигателя.
Размещение электронного модуля непосредственно на корпусе устройства обеспечивает дополнительные преимущества, связанные с рассеянием тепла, генерируемого указанным электронным модулем. В действительности вначале газ, который подается в устройство, вследствие происходящего процесса расширения находится при низкой температуре. Следовательно, электронный модуль не требует громоздких или сложных решений для рассеяния тепла, генерируемого электрическими схемами, в частности МОП-транзисторами, поскольку тепло поглощается газом. Указанное тепло, поглощаемое газом, обеспечивает дополнительное преимущество, поскольку обычно в указанных системах газ должен в любом случае нагреваться для использования в камере сгорания.
Конечно, без предвзятого отношения к принципу действия изобретения, детали конструкции и варианты осуществления могут значительно изменяться относительно тех, которые были описаны и проиллюстрированы здесь просто в качестве примера, без отхода от объема формулы настоящего изобретения.
На фиг.13 показан альтернативный пример варианта осуществления с другим расположением электронного модуля 77 и соответствующего корпуса 44. На указанном чертеже показаны также кабели для соединения между модулем 66 и соленоидом регулирующего электромагнитного клапана 25.