СИСТЕМА ВПРЫСКА ТОПЛИВА
FUEL INJECTION SYSTEM

Настоящее изобретение относится к системе впрыска топлива для многотопливного двигателя.
Известно приведение в действие двигателя с использованием более чем одного вида топлива. Например, известно функционирование дизельного двигателя в первом режиме работы только на дизельном топливе или во втором режиме работы с использованием комбинации дизельного топлива и другого топлива, такого как природный газ или сжиженный углеводородный нефтяной газ (СНГ), например пропан. Пример такого многокомпонентного двигателя раскрыт в поданной авторами настоящего изобретения заявке на выдачу патента PCT/GB 2008/003188.
При работе многотопливного двигателя на комбинации топлив необходима подача надлежащих количеств топлива в соответствующие цилиндры двигателя для того, чтобы обеспечить безотказную и эффективную работу двигателя.
Задача настоящего изобретения заключается в создании системы впрыска топлива для многотопливного двигателя, которая имеет своей целью удовлетворение вышеуказанного требования.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения обеспечивается способ регулирования подачи первого топлива и второго топлива в двигатель, который питается только первым топливом в первом режиме работы и смесью первого и второго топлив во втором режиме работы, при этом предложенный способ включает следующие стадии:
1) вычисление массы Md первого топлива, необходимой для двигателя в случае его работы в первом режиме;
2) вычисление по массе Md энергии Fe топлива, которую может обеспечить эта масса Md;
3) определение минимального уменьшенного количества Fdmin первого топлива, необходимого для работы двигателя во втором режиме работы двигателя;
4) вычисление количества Msub второго топлива, которое вместе с минимальным уменьшенным количеством дизельного топлива Fdmin будет обеспечивать энергию топлива, эквивалентную Fe.
С помощью настоящего изобретения можно использовать в качестве замены соответствующее количество Msub второго топлива во время второго режима работы двигателя для компенсации уменьшенного количества Md первого топлива при отсутствии необходимости осуществления какого-либо составления таблицы характеристик двигателя.
В одном воплощении изобретения стадия определения Fdmin включает стадию просмотра данных, хранимых в запоминающем устройстве, которое приводит в соответствие различные величины Fdmin с различными величинами Fe, при этом взаимосвязь этих величин предварительно устанавливают по результатам опытов, исходя из минимального количества первого топлива, необходимого для сохранения надежной работы двигателя, используя различное количество смесей первого и второго топлив при предварительно заданных рабочих параметрах.
Поскольку величину Fdmin можно вычислить, используя данные, которые уже хранятся в запоминающем устройстве, отсутствует необходимость в каком-либо составлении графика характеристик двигателя системы двигателя. Такой процесс составления графика характеристик двигателя может быть весьма продолжительным по времени.
Предложенный способ на стадии 3) может включать дополнительный этап, на котором определяют, будет ли работа во втором режиме целесообразной.
В этой связи предварительно опытным путем определяют минимальную величину энергии топлива Fe, при которой работа во втором режиме становится возможной, и передают ее на хранение в запоминающее устройство.
Затем сравнивают вычисленную величину энергии Fe топлива с указанной минимальной величиной, и двигателю предоставляют возможность работать во втором режиме, если вычисленная величина энергии Fe топлива превышает указанную минимальную величину или равна ей.
В одном воплощении изобретения способ включает на стадии 3) дополнительный этап доведения предварительно заданного минимального предела замещения топлива или верхнего предела до величины уменьшенного количества первого топлива Fdmin.
Наличие такого предела является желательным, поскольку преимущества, например, от замещения лишь очень небольшого количества первого топлива вторым топливом могут быть минимальными.
В одном воплощении изобретения стадия вычисления количества Msub второго топлива включает дополнительные этапы: вычисления состава AFRd топливовоздушной смеси, необходимого для работы двигателя в первом режиме, исходя из использования массы Md первого топлива; определение состава AFRdual топливовоздушной смеси, необходимого при работе двигателя во втором режиме для обеспечения такой же мощности, как и при использовании массы Md первого топлива с составом AFRd; вычисление количества Msub второго топлива, необходимого в сочетании с количеством Fdmin первого топлива для получения указанного состава AFRdual.
В воплощениях изобретения способ, кроме того, включает дополнительную стадию проверки, проводимую путем сравнения с тем, чтобы определить, будет ли энергия Fe топлива по существу такой же, что и энергия, обеспечиваемая вычисленными требуемыми количествами первого и второго топлив.
В соответствии со вторым аспектом изобретения обеспечивается система впрыска топлива для двигателя, содержащая первый электронный управляющий блок, предусмотренный для регулирования ряда основных инжекторов, предназначенных для подачи первого топлива к цилиндрам двигателя таким образом, что в первом режиме работы двигатель питается только первым топливом под управлением указанного первого электронного управляющего блока, при этом система впрыска топлива приспособлена для работы с питанием двигателя топливом во втором режиме работы, в котором для питания двигателя топливом используют смесь первого топлива и второго топлива, причем система впрыска топлива включает также ряд вспомогательных инжекторов для подачи второго топлива в двигатель и второй электронный управляющий блок для регулирования работы вспомогательных инжекторов, при этом второй электронный управляющий блок функционально связан с первым электронным блоком управления для приема от него выходных сигналов управления инжекторами и может быть подключен к указанным основным инжекторам для обеспечения функционирования основных инжекторов, в указанном втором режиме работы, с подачей уменьшенного количества Fdmin первого топлива и регулирования вспомогательных инжекторов для подачи определенного количества второго топлива Msub с обеспечением предварительно заданного комбинированного состава топливно-воздушной смеси AFRdual для каждого такта расширения двигателя.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения обеспечивается система впрыска топлива для двигателя, содержащая первый электронный управляющий блок, предусмотренный для регулирования ряда основных инжекторов для подачи первого топлива к цилиндрам двигателя таким образом, что в первом режиме работы двигатель питается только первым топливом под управлением указанного первого электронного блока управления; второй электронный управляющий блок, функционирующий для питания топливом двигателя во втором режиме работы, в котором для питания двигателя топливом используют смесь первого топлива и второго топлива, при этом система впрыска топлива дополнительно содержит ряд вспомогательных инжекторов для подачи в двигатель второго топлива, второй электронный блок управления функционально связан с первым электронным блоком управления для приема от него выходных сигналов управления инжекторами и регулирования работы основных и вспомогательных инжекторов, в ответ на указанные выходные сигналы управления инжекторами, для подачи уменьшенного количества Fdmin первого топлива и регулирования вспомогательных инжекторов для подачи определенного количества второго топлива Msub с обеспечением предварительно заданного комбинированного состава AFRdual топливовоздушной смеси для каждого такта расширения двигателя.
Система впрыска топлива в соответствии со вторым аспектом или с третьим аспектом изобретения может быть сконфигурирована так, чтобы сигналы управления проходили через второй электронный управляющий блок (ЭУБ) в том случае, когда двигатель работает в первом режиме и, кроме того, когда он работает во втором режиме.
Различные аспекты настоящего изобретения раскрыты ниже со ссылками на сопровождающие чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг.1-фиг.4 - схематическая иллюстрация различных стадий работы четырехтактного дизельного двигателя в соответствии с предпочтительным воплощением изобретения.
Фиг.5 - блок-схема, иллюстрирующая систему, соответствующую одному воплощению настоящего изобретения.
Фиг.6 - блок-схема, иллюстрирующая, каким образом первый и второй ЭУБ могут быть соединены друг с другом.
Фиг.7 - блок-схема, иллюстрирующая стадии работы системы в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.
На фиг.1 показан цилиндр 12 дизельного двигателя. Поршень 14, установленный в цилиндре 12, показан соединенным с коленчатым валом 16, который вращается в направлении, показанном стрелкой R. Для подачи воздуха в цилиндр 12 с помощью впускного клапана 22 служит канал 24 впуска воздуха, а для отвода отработавших газов из цилиндра 12 через выпускной клапан 28 служит канал 26 для отвода газов
На фиг.1 оба указанных клапана 22, 28 закрыты, поршень 14 только что достиг верхней мертвой точки, и инжектор 18 дизельного топлива только что произвел впрыск дизельного топлива Fd. В результате было инициировано сжигание топлива с приведением поршня в движение в направлении, показанном стрелкой Dc. Такое перемещение поршня представляет собой такт расширения двигателя.
Как показано на фиг.2, после прохождения нижней мертвой точки поршень 14 поднимается в направлении стрелки Ve. Выпускной клапан 28 открывается, при этом клапан 22 остается закрытым, и таким образом, отработавшие газы выбрасываются через выпускной канал 26 (поток выхлопных газов из цилиндра 12 показан на фиг.2 стрелкой Ef). Описанный процесс является тактом выпуска отработавших газов двигателя.
На фиг.3 поршень 14 только что прошел верхнюю мертвую точку и опускается в направлении, показанном стрелкой Di. Впускной клапан 22 открывается, а выпускной клапан 28 закрывается. Соответственно, по мере опускания поршня воздух всасывается в цилиндр 12 (поток всасываемого в цилиндр 12 воздуха показан на фиг.3 стрелкой Am). Этот процесс является тактом впуска двигателя. Во время такта впуска в соответствии с настоящим изобретением предварительно заданное количество второго топлива 30 вводится посредством второго инжектора 31 топлива в поток воздуха, всасываемый в цилиндр 12.
На фиг.4 поршень 14 только что прошел нижнюю мертвую точку и поднимается в направлении стрелки Vc. Как впускной клапан 22, так и выпускной клапан 28 закрыты, и поэтому воздух и вторая топливная смесь, находящаяся в цилиндре 12, подвергаются сжатию по мере того, как поршень непрерывно поднимается в направлении, показанном стрелкой Vc. Таким образом, происходит такт сжатия двигателя. Как только поршень проходит верхнюю мертвую точку, инжектор 18 дизельного топлива инжектирует предварительно заданное количество Fd дизельного топлива, которое горит и воспламеняет воздух и вторую топливную смесь. Этот процесс иллюстрируется на фиг.1 и дополняет цикл работы двигателя.
Если двигатель работает только на дизельном топливе, инжектор 18 будет впрыскивать надлежащее количество дизельного топлива с помощью инжектора 18 после завершения такта сжатия двигателя. Это количество дизельного топлива определяют с помощью первого электронного управляющего блока 60, поставляемого производителем оборудования (ЭУБ ПО), который известным образом программируют для обеспечения непрерывного контроля режима работы двигателя и, если двигатель установлен в транспортном средстве, других рабочих характеристик двигателя.
Электронный управляющий блок, поставляемый производителем оборудования, в ответ на измеренные контролируемые рабочие параметры двигателя и транспортного средства, регулирует подачу топлива так, чтобы обеспечить работу двигателя в заданном режиме при предварительно заданных нагрузке и рабочих параметрах.
Такое регулирование обычно осуществляется с помощью ЭУБ ПО 60, производящего сигнал управления инжектором, направляемый к инжектору 18 дизельного топлива, для открытия инжектора 18 в течение предварительно заданного отрезка периода времени и изменяющего продолжительность времени, в течение которого инжектор 18 впрыскивает топливо, и/или выбора времени открытия инжектора 18 для начала впрыска топлива.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения система содержит показанный на фиг.5 второй электронный управляющий блок 50, представляющий собой ЭУБ для многотопливного двигателя, который в ответ на сигналы управления, производимые ЭУБ ПО 60, регулирует подачу дизельного топлива в инжектор 18 дизельного топлива и, кроме того, регулирует подачу второго топлива к инжектору 31 второго топлива для обеспечения желаемого состава топливовоздушной смеси (AFR) в цилиндре во время такта сжатия, а также впрыска желаемого количества дизельного топлива для инициирования такта расширения двигателя.
В некоторых воплощениях изобретения первый ЭУБ 60 и второй ЭУБ 50 соединены друг с другом по такой схеме, что, независимо от режима работы двигателя, управляющие сигналы проходят через второй ЭУБ 50. Таким образом, отсутствует необходимость во включении в работу и выключении из работы второго ЭУБ 50. Одна такая схема их соединения схематически показана на фиг.6.
Как более подробно будет описано ниже, ЭУБ 50 многотопливного двигателя соединен с различными входными сигналами и датчиками (обозначенными на фиг.5 прямоугольниками с номерами позиций от 51 до 55), от которых на ЭУБ 50 поступают сигналы, соответствующие переменным рабочим характеристикам, которые влияют на определение точного количества дизельного и второго топлива, необходимого для впрыска в заданное время для обеспечения желательного функционирования двигателя.
На фиг.5 прямоугольником 51 показаны входные сигналы, относящиеся к рабочим параметрам дизельного топлива (эти входные сигналы включают число оборотов двигателя и длительность импульса для инжектора дизельного топлива (которую обеспечивает ЭУБ ОП 60)).
Прямоугольником 52 условно показаны датчики, необходимые для определения рабочих параметров воздуха во впускном воздушном коллекторе 24 (эти датчики представляют собой датчики температуры и давления, которые непрерывно контролируют температуру и давление воздуха в указанном впускном воздушном коллекторе 24, и, кроме того, датчик числа оборотов двигателя). В других воплощениях изобретения (не показаны) датчик числа оборотов двигателя может быть отделен от датчиков температуры и давления воздуха.
Прямоугольником 53 на фиг.5 условно показаны датчики для определения рабочих параметров второго топлива 30. В рассматриваемом примере вторым топливом является природный газ, который направляют к инжектору 31 в виде газа. Соответственно, датчики, показанные прямоугольником 53, представляют собой датчики, измеряющие температуру и давление топлива, направляемое к инжектору 31.
Прямоугольник 54 отображает датчики, необходимые для генерирования сигналов, представляющих характеристики двигателя, такие как частота вращения двигателя (выраженная через число оборотов в минуту) и угол поворота коленчатого вала 16.
Прямоугольник 55 отображает датчики, установленные в выпускном канале 26, которые направляют сигналы обратной связи, отражающие желаемые рабочие характеристики, такие как полнота сгорания. Например, таким датчиком может быть кислородный датчик 29 (фиг.1-фиг.4), который измеряет количество не использованного кислорода в отработавших газах, протекающих по каналу 26.
Дополнительно ЭУБ 50 содержит микропроцессор 56 для определения необходимых количеств дизельного и второго топлив; для того, чтобы микропроцессор производил такие определения, он, кроме того, содержит запоминающее устройство 57, в котором хранятся предварительно полученные данные контрольной характеристики. Такие данные включают, например, расходные характеристики инжекторов 16 и 31, теплотворную способность дизельного и второго топлив и таблицу предварительно вычисленных составов топливовоздушной смеси для различных количественных комбинаций смешанных топлив.
Фиг.7 иллюстрирует логическую блок-схему для ЭУБ 50 многотопливного двигателя в соответствии с предпочтительным воплощением настоящего изобретения. Вычисления, на которые приведены ссылки в указанной блок-схеме, осуществляются микропроцессором 56.
На схеме, показанной на фиг.6, начало последовательности действий процесса регулирования начинается на стадии 1 с использования второго ЭУБ 50, получающего сигнал управления от первого ЭУБ ОП 60 для инициирования такта расширения двигателя. Этот сигнал управления показывает микропроцессору 56 продолжительность активирования инжектора 18, необходимую для ЭУБ ОП 60 для подачи дизельного топлива только к цилиндру 12 для исправной работы двигателя.
На следующей стадии, стадии 2, микропроцессор 56 вычисляет массу Md дизельного топлива, которую предполагается впрыскивать под управлением ЭУБ 60 для такта воспламенения, и по вычисленной массе Md вычисляют энергию Fe топлива (т.е. теплотворную способность), которую может обеспечить масса Md дизельного топлива.
При определении массы Md микропроцессор принимает входные сигналы, показанные прямоугольниками 51, относящиеся к сигналу продолжительности импульса для инжектора дизельного топлива и числу оборотов в минуту двигателя. Другие необходимые параметры для проведения вычисления хранятся в запоминающем устройстве 57, например предварительно точно измеренный определенный массовый расход для инжектора 16 дизельного топлива.
На следующей стадии, стадии 3, микропроцессор 56 использует вычисленную величину Fe энергии топлива для определения минимального уменьшенного количества Fdmin дизельного топлива, с которым желательно работать в многотопливном режиме.
Такое определение осуществляется микропроцессором 56, который проводит поиск данных, хранимых в запоминающем устройстве 57, и устанавливает соответствие различных величин Fdmin с различными значениями Fe (такая корреляция предварительно установлена экспериментальным путем на основе минимального количества дизельного топлива, необходимого для поддерживания надежной работы двигателя, используя смеси с различным количеством дизельного/второго топлива, при предварительно установленных параметрах, условиях).
По усмотрению на стадии 3 микропроцессор 56 может также установить, возможна или не возможна работа двигателя в режиме с использованием двух топлив. При этом минимальная величина Fe энергии топлива, необходимая для того, чтобы работа двигателя в режиме с использованием двух топлив была возможной, определяется предварительно экспериментальным путем и хранится в запоминающем устройстве 57. Микропроцессор 56 сравнивает вычисленную величину Fe энергии топлива с ее минимальной величиной и разрешает двигателю начинать работу с использованием двух топлив, если вычисленная величина Fe энергии топлива больше или равна минимальной величине.
Микропроцессор 56 на стадии 3 может также ввести в действие предварительно заданный минимальный предел замещения, т.е. верхний предел для количества Fdmin уменьшенного дизельного топлива. Введение такого предела является желательным, поскольку выгоды, например, от замещения только 1% дизельного топлива вторым топливом могут быть минимальными. Кроме того, инжекторы второго топлива могут быть не способными обеспечивать кратковременный впрыск второго топлива.
На следующей стадии, на стадии 4, микропроцессор 56 вычисляет состав топливовоздушной смеси (AFRd), необходимый для работы двигателя в соответствии с действующей командой, полученной от ЭУБ 60 (т.е. для удовлетворения технических требований к функционированию двигателя во время активирования с помощью ЭУБ 60) на основе использования массы Md дизельного топлива (стадия 2). Для проведения этого вычисления микропроцессор 56 принимает сигналы от датчиков, показанных прямоугольником 52, т.е. микропроцессор 56 принимает входные сигналы, показывающие частоту вращения двигателя, давление и температуру воздуха во впускном коллекторе.
На следующей стадии, на стадии 5, микропроцессор 56 определяет требуемый состав топливовоздушной смеси в случае использования смеси дизельного и второго топлива (AFRdual), для того чтобы обеспечить такую же характеристику, т.е. выходную мощность, что и при использовании только дизельного топлива (массой Md) и составом топливовоздушной смеси AFRd. Такое определение на стадии 5 производится, исходя из знания максимального возможного количества второго топлива (со стадии 3) и количества необходимого дизельного топлива (Fdmin со стадии 3). Указанное определение может быть осуществлено путем вычисления или с помощью микропроцессора 56, производящего поиск данных, хранимых в запоминающем устройстве 57.
На следующей стадии, на стадии 6, микропроцессор 56 вычисляет количество Msub второго топлива, необходимое для получения (в сочетании с энергией топлива, обеспечиваемой минимальным количеством Fdmin дизельного топлива) состава AFRdual, определенного на стадии 5.
На следующей стадии, на стадии 7, микропроцессор 56 путем сравнения осуществляет контроль с тем, чтобы установить, может ли энергия, полученная от массы Md дизельного топлива (стадия 2) обеспечить такую же энергию, что и вычисленная для определенных количеств смеси дизельного и второго топлив (как и вычисленных на стадиях 3 и 6). Эту стадию проводят по усмотрению, но она позволяет подтвердить, что предшествующие вычисления являются корректными и, в случае допущенной ошибки, предоставляет возможность системе легко вернуться к использованию 100% дизельного топлива с тем, чтобы обеспечить надежную работу двигателя.
На следующей стадии, на стадии 8, микропроцессор 56 вычисляет продолжительность времени То работы второго инжектора 31 топлива (т.е. период времени, в течение которого необходимо, чтобы инжектор 31 был открыт для подвода количества Msub второго топлива, вычисленная величина которого обеспечивает требуемый состав AFRdual).
Поскольку второе топливо в рассматриваемом примере представляет собой природный газ, который впрыскивают в газообразном состоянии посредством инжектора 31, микропроцессор 56 вычисляет продолжительность впрыска на основе параметров газа.
Соответственно, на стадии 8, микропроцессор 56.принимает сигналы от датчиков, условно показанных прямоугольником 53. Эти датчики представляют собой такие датчики, которые подают сигналы, представляющие давление газа и температуру второго горючего газа, направляемого к инжектору 31, и датчик, который обеспечивает сигналы, показывающие абсолютное давление во впускном коллекторе 24. Кроме того, в запоминающем устройстве хранятся данные известных характеристик, необходимых для проведения вычислений (продолжительности впрыска); например, массовый расход инжектора 31 и эффективность системы впрыска газа.
В данном случае эффективность системы впрыска газа является эксплуатационным параметром, характеризующим количество фактически поступающего в цилиндр газа по отношению к количеству впрыскиваемого газа. Учет величины этого отношения предполагает изменения в конструкции системы впрыска и согласует различные характеристики системы.
На следующей стадии, на стадии 9, микропроцессор 56 определяет продолжительность располагаемого времени Ti для впрыска вычисленного количества Msub второго топлива и, кроме того, выбирает продолжительность времени Ti при работе двигателя. При определении продолжительности времени Ti и выборе этой продолжительности микропроцессор 56 принимает сигналы от датчиков, показанных прямоугольником 54, которые непрерывно контролируют характеристику двигателя;
например, эти датчики, к примеру, непрерывно контролирующие число оборотов двигателя и угол поворота коленчатого вала, обеспечивают сигналы, указывающие время открытия/закрытия впускного клапана 22.
На следующей стадии, на стадии 10, микропроцессор 56 обеспечивает подачу к ЭУБ 50 выходного сигнала Os в желаемый момент времени цикла работы двигателя, в результате чего ЭУБ 50 приводит в действие инжектор 31 для впрыска второго топлива, осуществляемого в течение определенного периода времени Ti в нужное время в такте впуска рабочего цикла двигателя.
На следующей стадии, на стадии 11, микропроцессор 56 обеспечивает подачу к ЭУБ 50 выходного сигнала Od с тем, чтобы ЭУБ 50 привел в действие инжектор 18 для подачи вычисленного минимального уменьшенного количества Fdmin дизельного топлива для инициирования такта расширения, следующего непосредственно за тактом впуска, в котором был произведен впуск смеси второго топлива и воздуха.
На следующей стадии, на стадии 12, микропроцессор 56 получает сигналы от датчиков, условно показанных прямоугольником 55. Эти датчики осуществляют обратную связь с микропроцессором 56 для того, чтобы обеспечить возможность корректирования результатов вычислений с тем, чтобы учесть фактическую полноту сжигания топлива двигателя. Предпочтительно такой датчик представляет собой кислородный датчик 29, который непрерывно контролирует количество неиспользованного кислорода в отработавших газах и направляет сигналы обратно к микропроцессору 56, чтобы он мог внести поправки в вычисленную величину AFRdual с тем, чтобы улучшить эффективность сжигания топлива.
Обратная связь от кислородного датчика 29 может быть использована для регулирования количества дизельного топлива или природного газа, или количества обоих видов топлива, используя соответствующий тарировочный коэффициент. Указанный тарировочный коэффициент не может быть использован для каждого одиночного цикла впрыска, но может быть усреднен для нескольких циклов.
В описанном выше примере вторым топливом является природный газ, который впрыскивают в виде газа посредством инжектора 31. Следует принимать во внимание, что вторым топливом может быть топливо, которое впрыскивают в виде жидкости (например, бензин), и что микропроцессор может быть запрограммирован на корректировку вычислений, производимых на стадии 8.