СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
GAS INTERNAL COMBUSTION ENGINE CONTROL METHOD

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может использоваться в системе управления газовым двигателем для устранения детонационных процессов горения в двигателе.
Общеизвестно, что процессы детонационного горения (детонации) в цилиндрах газового двигателя представляют большую опасность для двигателя. Основные причины детонационного горения связаны с составом топливовоздушной смеси и явлением калильного зажигания.
Так, при коэффициентах избытка воздуха в газовоздушной смеси близких к 1,1-1,2 повышается вероятность появления детонационных процессов горения, вызванных быстрым нарастанием температуры горения газовоздушной смеси и увеличением средней температуры цикла. При обеднении топливовоздушной смеси до коэффициентов избытка воздуха, близких к 1,6-1,8, скорость нарастания температуры горения топливовоздушной смеси снижается, а средняя температура цикла становится значительно ниже, вызывая тем самым охлаждение поверхностей камеры сгорания и снижая образование сажи.
В традиционных газовых двигателях с диаметром цилиндра более 200 мм регулирование общего количества воздуха, подаваемого на двигатель, осуществляют поворотной заслонкой по сигналу от датчика концентрации свободного кислорода в отработавших газах, а топливный газ подают в каждый цилиндр через распределительный клапан подачи газа в подводящий патрубок наддувочного воздуха непосредственно перед каждым цилиндром на такте всасывания.
Равномерность подачи топливного газа по цилиндрам достигается за счет уставки для всех электроуправляемых газовых клапанов общей длительности открытия на заданных частотах вращения двигателя и корректировки длительности открытия газовых клапанов, зависящей от пропускной способности каждого клапана. Равномерность подачи воздуха по цилиндрам двигателя определяется работой воздушной заслонки и регулировкой клапанов подачи воздуха и выпуска отработавших газов, установленных в крышках цилиндров.
Недостатком такого способа при длительной работе является возможное разрегулирование клапанов подачи воздуха в цилиндры из-за изменения зазоров по толкателям клапанов, износа седел клапанов; изменение количества топливного газа, подаваемого электроуправляемыми газовыми клапанами, вызванное: загрязнением газоподающего механизма, изменением давления топливного газа из-за расхода через соседние клапаны или резкого изменения режима работы двигателя, в результате состав топливовоздушной смеси становится близким к границе детонационных процессов горения или пропусков горения, приводящих к повышению токсичности, ухудшению топливной экономичности и разрушению двигателя.
Известны способы устранения детонационных процессов горения в цилиндрах газового двигателя внутреннего сгорания, в которых регулирование оптимального коэффициента избытка воздуха в топливовоздушной смеси достигают управлением подачи воздуха поворотной заслонкой, регулирующей общее количество воздуха, и дополнительными дроссельными заслонками для каждого цилиндра, а уход от детонационных процессов горения, регистрируемых по датчику детонации, осуществляют за счет изменения угла опережения зажигания в сторону более позднего зажигания (например, патент RU 2314428).
Недостатком таких способов является: невозможность ухода от детонационных процессов горения, вызванных калильным зажиганием из-за высокой температуры элементов камеры сгорания, частиц сажи или окалины, т.к. изменение угла опережения зажигания в сторону запаздывания (уменьшения угла опережения зажигания) приводит к повышению средней температуры цикла, как следствие, увеличению выбросов оксидов азота, неполному сгоранию топливовоздушной смеси, догоранию топливовоздушной смеси на линии расширения и в выхлопном коллекторе, приводя к перегреву элементов камеры сгорания.
Целью изобретения является уход от детонационных процессов горения топливовоздушной смеси в цилиндрах газового двигателя, повышение надежности и ресурса двигателя, улучшение топливной экономичности и экологических показателей двигателя за счет снижения концентрации токсичных веществ, в основном, окислов азота в продуктах сгорания.
Указанная цель достигается за счет того, что в предлагаемом способе управления газовым двигателем с использованием системы, содержащей впускную систему, включающую: поворотную заслонку, регулирующую общее количества воздуха, подаваемого на двигатель по сигналу от датчика концентрации свободного кислорода в отработавших газах без использования дополнительных дроссельных заслонок, индивидуальные впускные трубопроводы, объединенные общим ресивером, впускные каналы в крышке цилиндра, выпускную систему, включающую выпускные клапаны, общий выпускной ресивер с установленным в нем датчиком концентрации свободного кислорода в отработавших газах, систему зажигания, включающую электронный блок управления и свечи зажигания, систему подачи топливного газа, включающую электронный блок управления, регулирующий состав топливовоздушной смеси в каждом цилиндре, датчики детонации и индивидуальные клапаны подачи топливного газа, при появлении детонации в контролируемом цилиндре уменьшают длительность подачи газа и, следовательно, увеличивают коэффициент избытка воздуха в детонирующем цилиндре до исчезновения детонации с помощью электронного блока управления индивидуальными клапанами подачи топливного газа по сигналам от датчиков детонации, установленных для каждого цилиндра, и поворотной заслонки регулирования общего количества подаваемого воздуха, работающей по сигналу от датчика свободного кислорода в отработавших газах. При этом угол опережения зажигания на заданной частоте вращения двигателя не изменяют.
Уменьшение длительности подачи топливного газа в детонирующий цилиндр снижает среднюю температуру выхлопных газов, поступающих на турбину турбокомпрессора, в результате чего снижается величина давления наддува перед поворотной заслонкой регулирования общего количества подаваемого воздуха в ресивер двигателя и уменьшается количество воздуха в цилиндрах двигателя, в которых воздействия на длительность подачи топливного газа не производилось, что приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха, повышению жесткости сгорания, росту температуры и повышению вероятности возникновения детонации. Поэтому в блоке электронного управления реализован алгоритм управления поворотной заслонкой регулирования общего количества подаваемого воздуха, работающей по сигналу от датчика свободного кислорода в отработавших газах с учетом изменения длительности подачи топливного газа в детонирующий цилиндр, позволяющий сохранить требуемый режим нагружения всего двигателя на постоянной частоте вращения.
Для сохранения динамических свойств двигателя на заданной частоте вращения угол опережения зажигания не изменяется.
По сравнению с известными методами ухода от детонационных процессов горения в двигателях изобретение позволяет улучшить топливную экономичность многоцилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением и распределенным впрыском топлива, повысить экологические показатели, а также продлить срок службы и повысить надежность двигателя.
Предлагаемый способ управления газовым двигателем испытан на опытном образце газового двигателя ОАО «Коломенский завод» и показал положительные результаты.