СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ РАБОТЫ НА СЖАТОМ ПРИРОДНОМ ГАЗЕ

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к системам топливоподачи и зажигания, и включает построение и стратегию управления ДВС с искровым зажиганием при работе на сжатом природном газе.
Известно устройство топливоподачи для ДВС, содержащее карбюратор-смеситель с дроссельной заслонкой и присоединенной системой питания бензином с фильтром тонкой очистки и бензобаком, и система питания газом с последовательно соединенными газовыми баллонами, фильтром с электромагнитным запорным клапаном и газовым редуктором (см. патент РФ №2009355 от 25.02.91 г, кл. F 02 M 13/08).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных систем является то, что при изменении параметров внешней среды и сопротивления воздуха на впуске в двигатель проявляется нестабильность подачи газа в двигатель, что приводит к нарушению оптимальной подачи газа в цилиндры двигателя в соответствии с режимом работы двигателя.
Наиболее близким устройством того назначения к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является система питания многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащая бензиновую часть, включающую бензобак и бензонасос, и систему питания газом, включающую редуктор высокого давления, последовательно подсоединенные баллоны с газом, электромагнитный клапан, редуктор низкого давления, карбюратор-смеситель, электрический дозатор газа, изменяющим проходное сечение канала для подачи газа по команде от
электронного блока управления, получающему сигналы от датчиков, отслеживающих состав рабочей смеси в цилиндрах в зависимости от режимов работы двигателя и изменяющихся условий окружающей среды и сопротивления воздуха на впуске, датчик частоты вращения коленчатого вала и датчик абсолютного давления (см. патент на полезную модель РФ №36127 от 25.02.91 г, кл. F 02 M 21/00).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, является то, что при применении редуктора низкого давления, работающего по обратной связи от разрежения (нагрузки) за дросселем, в связке со смесителем, устанавливаемым за трубкой Вентури двигателя, базовая подача газа в ДВС осуществляется не оптимальным образом. Это делает невозможным, при наличии λ-регулирования смеси с использованием электронного дозатора уменьшить выбросы вредных веществ в отработавших газах на отдельных режимах работы, в том числе - из-за неготовности катализатора. Отсутствие информации о температуре газа на входе в двигатель не позволяет проводить температурную коррекцию топливоподачи и угла опережения зажигания, что негативно влияет на режим прогрева ДВС и его энергетические показатели, и не обеспечивает подготовку λ-зонда на холодном двигателе. Кроме этого, при снижении давления метана до уровня давления разрежения на входе в двигатель, происходит расширение и охлаждение газа. Несмотря на подогрев газа в редукторе низкого давления, сохраняется некоторая зависимость топливоподачи газа от внешних условий. Причем, требуется дополнительная доработка серийного карбюратора, а схема подачи газа применима только на карбюраторных бензиновых двигателях внутреннего сгорания.
Сущность изобретения - создание универсальной системы управления для карбюраторных и впрысковых бензиновых ДВС с различным рабочим объемом при работе на метане, исключающей влияние дестабилизирующих факторов внешней среды на оптимальную подачу газа в цилиндры двигателя и
обеспечивающей его работу в окне бифункциональности с предварительной подготовкой катализатора.
Технический результат - устранение влияния дестабилизирующих факторов внешней среды на точную оптимальную топливоподачу газа на всех режимах работы при работе на метане и обеспечение работы двигателя в окне бифункциональности с предварительной подготовкой катализатора.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в системе управления двигателем внутреннего сгорания для работы на сжатом природном газе, включающей бензиновую часть, систему питания газом, включающую смеситель, дозатор газа, редуктор высокого давления, электромагнитный клапан газа, последовательно подсоединенные баллоны, электронный блок управления, датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик абсолютного давления, особенностью является то, что в системе управления выполнен подогреватель метана со встроенными датчиком высокого давления и дозатором газа, выполненным с форсунками для впрыска газа в двигатель через смеситель, установленный за дросселем перед впускной трубой двигателя, а перед смесителем выполнены датчики температуры и низкого давления газа, что позволяет исключить нестабильность подачи метана на различных режимах работы ДВС, с учетом дестабилизирующих факторов внешней среды, условий работы редуктора высокого давления и режима работы двигателя, с обеспечением подготовки катализатора и λ-зонда и температурной коррекцией топливоподачи и угла опережения зажигания. Кроме этого, выполнен электронный блок управления, формирующий управлением углом опережения зажигания через катушку зажигания.
На чертеже представлена система управления топливоподачей и углом опережения зажигания многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.
Система управления включает:
двигатель внутреннего сгорания 1 с искровым зажиганием, баллоны со сжатым природным газом 2 с топливными вентилями 4 и узлом заправки 3,
трубопровод высокого давления 5, магистральный электромагнитный запорный клапан газа высокого давления 6, редуктор высокого давления 7, дополнительный подогреватель метана 8 с датчиком высокого давления 11 и дозатором 10, имеющем форсунки 9, смеситель 12, размещенный перед впускной трубой 13 (за дроссельным узлом воздушного приемного тракта А), что позволяет по универсальной схеме сопрягать системы топливоподачи карбюраторных и впрысковых бензиновых двигателей с системой топливоподачи газа, датчик низкого давления с интегрированным датчиком температуры газа 14, датчик кислорода 15, установленный перед бифункциональным катализатором 16, датчик частоты вращения коленчатого вала 17 с диском синхронизации 18, датчик абсолютного давления 20, катушку зажигания 21, датчик - распределитель 22, блок управления 19, проводящий диагностику системы и формирующий сигналы при наличии неисправностей на индикатор диагностики 23 и диагностический разъем 24.
Работа системы управления осуществляется следующим образом: Газ, находящийся под высоким давлением в баллонах 2, имеющих узел заправки 3, через топливный вентиль 4, трубопровод высокого давления 5, магистральный электромагнитный запорный клапан газа высокого давления 6 поступает в редуктор высокого давления 7, снижающий давление газа до рабочего давления топливных форсунок 9. Для стабилизации температуры топлива от изменения перепада давления газа на редукторе высокого давления 7 и от нагрузки (режимной точки) двигателя, используется дополнительный подогреватель метана 8, с подводом охлаждающей жидкости от двигателя 1. В подогреватель интегрирован дозатор 10 и датчик высокого давления 11, контролирующий давление газа перед газовыми форсунками. Форсунки 9 установлены в каналы дозатора 10 в направлении, наиболее благоприятном для ламинарного потока истечения газа. Количество форсунок в составе дозатора может варьироваться в зависимости от рабочего объема двигателя. Для качественного приготовления смеси, подвод газа в ДВС осуществляется через смеситель 12.
Для контроля давления и температуры потока газа на входе в двигатель применяется датчик низкого давления 14 с интегрированным датчиком температуры.
Суммарная цикловая подача дозатора является функцией длительности открытия форсунок на каждой режимной точке ДВС, определяемой координатами нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, с учетом рабочего перепада давления газа, напряжения бортовой сети и температуры метана, поступающего в ДВС.
Стратегия управления топливоподачей состоит в изменении массы метана, поступающего в двигатель, по обратной связи от датчика кислорода (λ-зонда) 15, размещенного перед бифункциональным катализатором 16 в системе выпуска отработавших газов, с целью поддержания стехиометрического состава топливовоздушной смеси.
Датчик частоты вращения коленчатого вала 17 формирует электрический сигнал переменного напряжения при взаимодействии его магнитного поля с зубчатым диском синхронизации шкива коленчатого вала 18. По сигналу датчика частоты вращения коленчатого вала 17 блок управления 19 определяет положение коленчатого вала, рассчитывает сегментный интервал по цилиндрам, осуществляет общую синхронизацию системы и определяет частоту вращения коленчатого вала. Информация о частоте вращения коленчатого вала дополнительно позволяет контролировать пропуски зажигания для поддержания в исправном состоянии катализатора.
По сигналу датчика абсолютного давления 20 осуществляется измерение абсолютного давления во впускной трубе двигателя 13, используемого системой управления в качестве параметра нагрузки. Подвод разрежения к датчику - после дроссельного узла двигателя.
Управление углом опережения зажигания является параметрической функцией в координатах нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, с учетом температуры газа, поступающего в двигатель. Информация о частоте вращения коленчатого вала позволяет блоку управления 19 проводить
динамическую коррекцию угла опережения зажигания от скорости изменения частоты вращения двигателя.
Блок управления 19 формирует зажигание в цилиндрах ДВС, управляя током накопления первичной обмотки катушки (катушек) зажигания. Нормирование тока в первичной обмотке катушки - функция времени накопления и напряжения бортовой сети автомобиля.
В системе зажигания карбюраторного ДВС реализована высоковольтная цепь с одной катушкой зажигания 21 и динамическим распределением высокого напряжения на электроды свечей зажигания соответствующего цилиндра через датчик - распределитель 22 (серийный распределитель зажигания с отключенным вакуумным автоматом). Для защиты катализатора и снижения уровня пропусков зажигания, с применением многовыводной катушки (катушек) зажигания и статической системой зажигания более предпочтителен.
Блок управления 19 обрабатывает сигналы от датчиков и формирует команды управления исполнительными устройствами и механизмами, в том числе подготавливает к работе λ-зонд 15 на холодном двигателе, подавая напряжение бортовой сети в цепь подогрева датчика, и контролирует его работу, измеряя ток и напряжение на датчике. Блок управления 19 проводит диагностику системы, и, при наличии неисправностей, формирует сигнал на индикатор диагностики 23. Система управления, через диагностический разъем 24, позволяет контролировать свое состояние с использованием технологического оборудования и внешнего диагностического тестера.
Блок управления 19 может быть единым (применение на газовых, бензиновых и битопливных двигателях) или дополнительным (функциональное сопряжение с блоками управления бензиновых двигателей по линии CAN 25, коммутация и электрическая развязка общих цепей, реализованная в дополнительном блоке управления).
Преимущество заявленной полезной модели состоит в том, что предложенная схема построения системы управления обеспечивает
универсальность ее применения, без существенной доработки карбюраторных и впрысковых бензиновых ДВС различного рабочего объема, с выполнением норм токсичности не ниже уровня EURO II.