СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ВПРЫСКА ГАЗА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, РАБОТАЮЩИЙ НА ЖИДКОМ И ГАЗООБРАЗНОМ ТОПЛИВАХ
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OF GAS INJECTION SYSTEM TO INTERNAL COMBUSTION ENGINE OPERATING ON LIQUID AND GASEOUS FUELS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для управления системой впрыска газа в двигатель внутреннего сгорания согласно ограничительной части независимых пунктов формулы изобретения.
Уровень техники
В публикации DE 102005012940 раскрыто устройство для впрыска топлива, в котором в случаях возникновения высокого давления газа при выключенном двигателе или при низкой температуре топлива работой клапана топливной форсунки управляет регулирующий давление клапан.
Раскрытие изобретения
Преимущество способа и устройства, охарактеризованных в независимых пунктах формулы изобретения, состоит в эффективном управлении клапаном топливной форсунки за счет преодоления проблемы залипания, которому подвержены клапаны газовых форсунок. Также изобретение предусматривает надежное управление работой клапанов газовых форсунок, не требующее никаких дополнительных механических компонентов. Устраняются такие проблемы, как пропуски зажигания, вызываемые задержкой в открытии клапанов газовых форсунок. Поскольку открытие клапанов газовых форсунок осуществляется по заданной схеме, состав топливовоздушной смеси поддерживается в требуемом диапазоне значений, и достигается снижение уровня вредных выбросов в отработавших газах. Также устраняется ненормальное горение топлива.
Дальнейшие усовершенствования и/или преимущества достигаются признаками зависимых пунктов формулы изобретения. Настоящее изобретение позволяет открывать клапаны газовых форсунок за счет снижения давления газа на них, когда двигатель включен, особенно при холодном запуске. Изобретение не предусматривает никаких сложных процедур. Плавный процесс снижения давления, возникающего на клапанах газовых форсунок, способствует поддержанию состава топливовоздушной смеси в смеси без возмущений и поэтому позволяет достичь чистоты отработавших газов двигателя. Процесс управления клапанами на основе по меньшей мере одного из следующих параметров или их комбинации: давление газообразного топлива, скорость вращения вала двигателя внутреннего сгорания и состав топливовоздушной смеси способствует также контролю за составом отработавших газов. Изобретение делает возможным систематический подход к управлению клапанами газовых форсунок в течение короткого периода времени. Согласно настоящему изобретению клапаны газовых форсунок, испытывающие трудности в плане надлежащего открытия клапанов, переводят в особый режим впрыска газообразного топлива, предусматривающий отработку последовательности схем открытия клапанов, в результате чего предотвращается неэффективное открытие клапанов, обусловленное возникающим на них высоким давлением, в особенности во время холодного запуска.
К тому же промежуточная стадия открытия клапанов на заданное время позволяет быстро нагревать их, дополнительно способствуя открытию клапанов газовых форсунок, а также уменьшая залипание клапанов из-за падения температуры. Изобретение также позволяет обходиться без каких бы то ни было внешних нагревательных элементов. В результате также снижаются общие затраты.
Система впрыска газообразного топлива может быть снабжена датчиками давления, датчиками температуры, датчиком частоты вращения вала двигателя.
Датчики давления и температуры предоставляют точные измерения, необходимые для улучшения управления приведением клапанов топливных форсунок в открытое и закрытое положения. Повышается общий кпд двигателя внутреннего сгорания.
Объектом изобретения является также устройство для управления работой системы впрыска газа в двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном и жидком топливах. Предлагаемое в изобретении устройство содержит средства для определения ситуации пуска двигателя внутреннего сгорания, закрытия запорного клапана системы впрыска газообразного топлива и запуска двигателя внутреннего сгорания на жидком топливе с последующим приведением в действие клапанов газовых форсунок двигателя внутреннего сгорания по заданной схеме при удержании запорного клапана в закрытом состоянии.
Краткое описание чертежей
Осуществление изобретения поясняется ниже со ссылкой на чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схема предлагаемой в изобретении системы впрыска газообразного топлива,
на фиг.2 - график, иллюстрирующий работу клапанов газовых форсунок в предлагаемой в изобретении системе впрыска газообразного топлива,
на фиг.3 - график, иллюстрирующий работу клапанов газовых форсунок в одном из вариантов выполнения предлагаемой в изобретении системе впрыска газообразного топлива.
Осуществление изобретения
В последние годы с целью снижения уровня вредных веществ в отработавших газах находят применение разработки для транспортных средств, оснащаемых двигателями, работающими на газообразном топливе, например на сжатом природном газе. Природный газ, иногда используемый как топливо для двигателей внутреннего сгорания, позволяет снижать содержание загрязняющих окружающую среду продуктов сгорания и сокращать расходы на эксплуатацию двигателя без применения сложных устройств для снижения токсичности выхлопа. Данное изобретение относится к двигателям, работающим на двух видах топлива, т.е. как жидком топливе, таком как бензин и дизельное топливо, и на газообразном топливе, таком как сжатый природный газ (СПГ). Газообразное топливо, например природный газ, подается из баллона под давлением около 20 МПа.
Проблемы загрязнения воздуха, присущие двигателям внутреннего сгорания, работающим на бензине или дизельном топливе, хорошо известны. Поэтому для сокращения объема загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу двигателями внутреннего сгорания, в настоящее время используются различные устройства для снижения токсичности выхлопа, как это в действительности требуется федеральными законами. Эти устройства, однако, удаляют лишь часть загрязняющих веществ и подвержены разрушению с течением времени. Также они зачастую препятствуют работе двигателя с максимальной экономичностью. Также иногда в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания используется природный газ. Его применение позволяет производить меньше загрязняющих продуктов сгорания и снижать затраты на эксплуатацию двигателя, не используя сложных устройств для снижения токсичности выхлопа.
В наши дни наблюдается увеличение количества двухтопливных двигателей, т.е. двигателей, способных работать на жидком или газообразном топливах.
На фиг.1 приведена схема предлагаемой в изобретении системы впрыска топлива. Система впрыска (инжекторная система подачи) топлива в двигатель 18 внутреннего сгорания включает в себя бак 19 для жидкого топлива и газовый баллон 11 для газообразного топлива. Бак 19 для жидкого топлива, наполненный, например, бензином, имеет топливоподающую магистраль 20. Через топливоподающую магистраль 20 жидкое топливо подается к клапану 21 форсунки жидкого топлива. На чертеже в качестве примера показан лишь один клапан форсунки жидкого топлива. Однако на большинстве транспортных средств двигатель внутреннего сгорания имеет несколько клапанов форсунок жидкого топлива, в частности четыре таких клапана, предназначенных для питания жидким топливом соответствующего числа камер сгорания. Клапан 21 форсунки жидкого топлива впрыскивает жидкое топливо в двигатель 18 внутреннего сгорания. Газовый баллон 11 для газообразного топлива является баллоном высокого давления и имеет топливоподающую магистраль 12. В топливоподающей магистрали 12 предусмотрен регулятор 13 давления, предназначенный для регулирования давления в этой магистрали. В топливоподающей магистрали также предусмотрен запорный (отсечной) клапан 14. Запорный клапан 14 в закрытом положении предотвращает утечку газообразного топлива из газового баллона 11 в двигатель 18 внутреннего сгорания. Для измерения давления и температуры газообразного топлива, поступающего в несколько клапанов 17a-17d газовых форсунок, предусмотрены измерительные преобразователи, такие как датчик 15 давления и датчик 16 температуры. В рассматриваемом случае в качестве примера показаны лишь четыре форсунки. Однако на большинстве транспортных средств двигатель внутреннего сгорания имеет несколько клапанов форсунок, в частности четыре таких клапана, предназначенных для питания газообразным топливом соответствующего числа камер сгорания. Измерительные преобразователи 15, 16 установлены вдоль топливоподающей магистрали 12 между запорным клапаном 14 и клапанами 17a-17d газовых форсунок. Регулирование работы клапанов газовых форсунок, контроль функционирования компонентов системы впрыска топлива, а также считывание информации с измерительных преобразователей осуществляется электронным блоком управления 22, который на чертеже показан без соединения с другими компонентами системы впрыска топлива.
Газообразное топливо или сжатый газ подается в двигатель внутреннего сгорания с помощью клапанов газовых форсунок. Каждый такой клапан имеет герметизирующее седло. Герметизирующее седло клапана газовой форсунки может быть выполнено из эластомерного материала, либо из любого другого материала, такого как сталь. Когда клапан закрыт, герметизирующее седло сжато, а когда клапан вновь открывается, седло принимает свою первоначальную форму. Как правило, когда температура окружающей среды падает, открытие клапанов газовых форсунок становится ненадежным. Обычно газообразное топливо содержит небольшое количество масел, которое невозможно полностью удалить с помощью фильтра. Во время холодного запуска двигателя эти масла, которые имеют низкую вязкость, образуют осадок на герметизирующем седле. Это увеличивает усилие, необходимое для открытия клапана. Дополнительное усилие для открытия клапана необходимо также потому, что на клапанах газовых форсунок создается высокое давление. Описанные выше проблемы приводят к пропускам зажигания и задержкам при запуске двигателя, если таковой осуществляется на газообразном топливе. Если сделать возможным снижение давления газообразного топлива, то можно уменьшить суммарное усилие, необходимое для открытия клапанов. В изобретении предлагается методика, поясняющая как снизить давление газообразного топлива и как открывать клапаны по заданной схеме в целях уменьшения проблемы залипания, в свою очередь, обеспечить надежное открытие клапанов против действия силы давления со стороны газообразного топлива во время нормальной работы, т.е. во время работы на газообразном топливе.
На фиг.2 в графическом представлении иллюстрируется работа клапана топливной форсунки в системе впрыска газообразного топлива, когда вал двигателя прокручивается во время холодного запуска. На фиг.2д представлен управляющий сигнал, посылаемый электронным блоком управления запорному клапану 14 (высокий уровень сигнала - запорный клапан открыт; низкий уровень сигнала - запорный клапан закрыт), управляющему подачей газообразного топлива к клапанам 17a-17d газовых форсунок в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.2е представлена кривая давления в системе впрыска топлива. На фиг.2а-2г представлен управляющий сигнал, посылаемый электронным блоком управления клапанам 17a-17d газовых форсунок (высокий уровень сигнала - клапан открыт; низкий уровень сигнала - клапан закрыт).
Когда вал двигателя прокручивается во время холодного запуска, на клапанах газовых форсунок возникает высокое давление, и эти клапаны невозможно открыть при наличии газообразного топлива, поданного из газового баллона. Это приводит к задержке в запуске двигателя. С целью преодоления проблем, возникающих в отношении открытия клапанов газовых форсунок во время холодного запуска, разработаны уникальные и эффективные способ и устройство, описанные ниже.
0
1
2
3
2
3
4
5
5
пад
7
8
откр
Двигатель запускают на жидком топливе, подаваемом из бака 19. Как показано на фиг.2д, в момент времени t запорный клапан 14 открывают, а в момент t его закрывают, прекращая подачу газообразного топлива. Транспортное средство продолжает работать на жидком топливе, поскольку открытие запорного клапана без открытия клапанов газовых форсунок не позволяет газообразному топливу поступать в двигатель. Изобретение также осуществимо в случае, если запорный клапан закрывают, после чего следует запуск двигателя. Для снижения давления на клапанах необходимо определить, или обнаружить, по меньшей мере один среди нескольких клапанов газовых форсунок, который открывается. Как показано на фиг.2, в момент времени t предпринимается попытка открытия клапана 17а газовой форсунки. Если клапан 17а не открывается, то в момент времени t предпринимается попытка открытия клапана 17b газовой форсунки. Процесс определения клапана, сумевшего открыться, продолжают до тех пор, пока таковой не будет обнаружен. Как показано на фиг.2а, 2б, 2в, клапаны 17а, 17b, 17 с газовых форсунок не открываются в моменты времени t, t, t. Как показано на фиг.2г, в момент времени t обнаруживается, что открылся клапан 17d газовой форсунки. Открытие клапана 17d в момент t обнаруживается по снижению давления на небольшую величину, как показано на фиг.2е. Именно поэтому вначале запорный клапан открывают на короткое время, так как вскоре после начала нормальной работы падение давления, вызванное открытием клапана 17d, становится значительным. С целью снижения возникшего давления клапан, которой был определен как открывающийся, открывают и закрывают таким образом, чтобы давление на клапане снижалось постепенно, и в то же время количество жидкого топлива также уменьшают на количество, эквивалентное количеству газообразного топлива, впрыснутого открывающимся клапаном. Открытие клапана снижает давление на всех клапанах. Участок кривой давления Р, показанный на фиг.2е, характеризует постепенное снижение давления на клапане. В результате усилие на клапанах снижается, что позволяет клапанам надежно открываться. После снижения давления на клапанах газовых форсунок все клапаны топливных форсунок удерживают в открытом положении в течение заданного времени t. Открытие всех клапанов на заданное время за счет внутреннего подогрева клапанов способствует улучшению работы клапанов газовых форсунок во время холодного запуска. Клапаны газовых форсунок имеют катушки индуктивности. Эти катушки имеют определенное сопротивление, и, когда они запитаны электрическим током, клапаны газовых форсунок нагреваются. С целью стабилизации работы клапанов газовых форсунок их затем в течение промежутка времени t приводят в быстрое движение с заданной частотой. После этого быстрого движения запорный клапан открывают (SV) вновь. Поскольку теперь запорный клапан открыт, клапаны газовых форсунок начинают работать в нормальном режиме, т.е. подача газообразного топлива увеличивается, а подача жидкого топлива - уменьшается.
На фиг.3 в графическом представлении иллюстрируется работа клапана топливной форсунки в системе впрыска газообразного топлива согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, когда вал двигателя прокручивается во время холодного запуска. На фиг.3д представлен управляющий сигнал, посылаемый электронным блоком управления запорному клапану 14 (высокий уровень сигнала - запорный клапан открыт; низкий уровень сигнала - запорный клапан закрыт), управляющему подачей газообразного топлива к клапанам 17a-17d газовых форсунок в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.3е представлена кривая давления в системе впрыска топлива. На фиг.3а-3г представлен управляющий сигнал, посылаемый электронным блоком управления клапанам 17a-17d газовых форсунок (высокий уровень сигнала - клапан открыт; низкий уровень сигнала - клапан закрыт).
0
1
12
13
14
15
16
24
низк
25
7
26
8
откр
Двигатель запускают на жидком топливе, подаваемом из бака 19. Как показано на фиг.3д, в момент времени t запорный клапан 14 открывают, а в момент t его закрывают, прекращая подачу газообразного топлива. Транспортное средство продолжает работать на жидком топливе, поскольку открытие запорного клапана без открытия клапанов газовых форсунок не позволяет газообразному топливу поступать в двигатель. Изобретение также осуществимо в случае, если запорный клапан закрывают, после чего следует запуск двигателя. Для снижения давления на клапанах клапаны газовых форсунок приводят в действие по заданной схеме таким образом, что клапан 17а, как показано на фиг.3а, срабатывает в момент времени t, аналогичным образом клапаны 17b, 17c, 17d срабатывают в моменты t, t и t, как показано на фиг.3б, 3в и 3г. В моменты времени t-t клапаны 17a-17d газовых форсунок продолжают приводить в действие, как показано на фиг.3а-3г таким образом, что до регистрации низкого давления Р будет впрыснуто лишь небольшое количество газообразного топлива. Это количество газообразного топлива мало в том смысле, что эквивалентное ему количество газообразного топлива составляет менее 15% от эквивалентного количества жидкого топлива. Так что состав топливовоздушной смеси нарушается лишь в небольшой степени. В результате усилие на клапанах снижается, что позволяет клапанам открываться надежно. После снижения давления на клапанах газовых форсунок все клапаны топливных форсунок удерживают в открытом положении в течение заданного времени t, как описано на фиг.2 для момента времени t. Кроме того, с целью стабилизации работы клапанов газовых форсунок их затем, в течение промежутка времени t, приводят в быстрое движение с заданной частотой, как это описано на фиг.2 для t. После этого быстрого движения запорный клапан открывают (SV) вновь.
Предлагаемое в изобретении решение, предусматривающее приведение клапана газовой форсунки в действие по заданной схеме (процедуре) до начала работы двигателя внутреннего сгорания на газообразном топливе, повышает эффективность работы клапанов газовых форсунок. Настоящее изобретение преодолевает проблему залипания герметизирующего седла клапана газовой форсунки во время холодного запуска, позволяет эффективно управлять клапанами газовых форсунок без всякой задержки, и внутренними средствами повысить общий кпд двигателя внутреннего сгорания. Также достигается эффективное снижение токсичности выхлопа (отработавших газов).
Настоящее изобретение исключает потребность в каких-либо внешних нагревательных элементах для подогрева клапанов газовых форсунок во время холодного запуска. Поэтому снижаются производственные затраты, а также затраты времени на установку дополнительных механических компонентов.