СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ РАБОТАЮЩЕГО НА ТОПЛИВЕ ОТОПИТЕЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
METHOD OF OPERATING A FUEL HEATER OF A VEHICLE

Изобретение относится к способу эксплуатации работающего на топливе отопителя транспортного средства.
В стремлении сократить потребление сырой нефти и снизить токсичные выбросы все больше предпринимается попыток использования также синтетических топлив для эксплуатации работающих на топливе отопителей транспортных средств. Таким синтетическим топливом является, например, оксиметиленэфир (ОМЭ).
2
2
Проблема при использовании таких топлив в том, что они имеют иную, как правило, меньшую теплоту сгорания, чем традиционные топлива, например, дизель. При использовании таких синтетических топлив или их примешивании к традиционному топливу, например, дизелю, это может привести к той проблеме, что при эксплуатации отопителя транспортного средства на основе заданных для традиционных топлив, например, дизеля, эксплуатационных параметров осуществляемое с полученной тогда смесью воздуха для горения и топлива сжигание может, с одной стороны, привести к чрезмерному выбросу токсичных веществ, а, с другой стороны, не может обеспечить ожидаемую для эксплуатации отопителя теплопроизводительность. Причина этой проблемы кроется в том, что для отопителя, как правило, отсутствует или не может быть предоставлена непосредственная информация о качестве используемого топлива. Также, в частности в системах дооснащения, ввиду отсутствия возможности предусмотреть датчик, регистрирующий содержание СО в отработавших газах, как правило, отсутствует возможность оценить качество протекающего горения за счет регистрации содержания СО в отработавших газах и вследствие этого принять компенсирующие меры по управлению воздуходувкой воздуха для горения или топливным насосом.
Задачей изобретения является создание способа эксплуатации работающего на топливе отопителя транспортного средства, с помощью которого даже при использовании топлив разного качества можно было бы надежно обеспечить необходимую для требуемой эксплуатации отопителя теплопроизводительность.
Согласно изобретению, эта задача решается посредством способа эксплуатации работающего на топливе отопителя транспортного средства, причем отопитель включает в себя горелочную зону с камерой сгорания, топливный насос для подачи топлива в камеру сгорания и воздуходувку воздуха для горения для его подачи в камеру сгорания, причем воздуходувке воздуха для горения вниз по потоку за ней придан датчик давления для регистрации противодавления подачи, далее содержащий устройство для управления топливным насосом таким образом, что топливный насос эксплуатируется с заданным значением эксплуатационного параметра насоса, и для управления воздуходувкой воздуха для горения таким образом, что воздуходувка воздуха для горения эксплуатируется с заданным значением эксплуатационного параметра воздуходувки, при котором в соответствии с эксплуатационными состояниями подачи, которые определяются эксплуатационными параметрами насоса и воздуходувки, и эталонным топливом формируется информация о соответственно ожидаемом противодавлении подачи, причем способ включает в себя следующие этапы:
а) при установленном в режиме горения эксплуатационном состоянии подачи регистрацию противодавления подачи;
б) сравнение зарегистрированного противодавления подачи с ожидаемым для установленного эксплуатационного состояния подачи противодавлением подачи;
в) в случае отклонения зарегистрированного противодавления подачи от ожидаемого противодавления подачи изменение эксплуатационного параметра насоса таким образом, чтобы противодавление подачи изменялось в направлении ожидаемого противодавления подачи и/или, в основном, соответствовало ожидаемому противодавлению подачи.
Благодаря предложенному способу становится возможным компенсировать возникающие в состоянии горения и заметные в виде изменившегося противодавления подачи изменения в сжигаемом топливе и, тем самым, позаботиться о том, чтобы даже при использовании топлив разного качества можно было обеспечить требуемую для заданного режима отопления теплопроизводительность.
Воздуходувка воздуха для горения может содержать вращающееся подающее колесо, причем эксплуатационный параметр воздуходувки преимущественно соответствует числу оборотов подающего колеса. Топливный насос может содержать периодически возвратно-поступательно перемещающийся поршень, причем тогда эксплуатационный параметр насоса соответствует частоте перемещений поршня.
Е
е
Е
Эксплуатационное состояние подачи можно охарактеризовать как соотношение числа оборотов подающего колеса и частоты перемещений поршня. В соответствии с заданным режимом отопления ожидаемое противодавление (Р) подачи задается в качестве входного параметра, а зарегистрированное противодавление (Р) подачи изменяется при регулировании давления в качестве регулируемого параметра за счет изменения эксплуатационного параметра насоса в качестве управляющего параметра в направлении ожидаемого противодавления (Р) подачи.
В этой связи следует указать на то, что в зависимости от того, как происходит обработка имеющейся в распоряжении информации, это соотношение можно охарактеризовать как число оборотов/частота перемещений или как частота перемещений/число оборотов.
Осуществляемый, согласно изобретению, процесс может протекать в рамках регулирования противодавления подачи, при котором ожидаемое противодавление подачи используется в качестве входного параметра, а зарегистрированное противодавление подачи является изменяемым в направлении ожидаемого противодавления подачи регулируемым параметром. Параметром, на который оказывает влияние техника управления, т.е. управляющий параметр, является соотношение частоты числа оборотов и частоты, причем, в принципе, число оборотов воздуходувки воздуха для горения, т.е. подаваемое количество воздуха, остается неизменной, а частота, т.е. подаваемое количество топлива, изменяется или согласовывается в рамках контура регулирования.
В качестве альтернативы или дополнительно к такому регулированию можно для компенсации изменений в характеристике горения, выражающихся в изменении противодавления подачи, предложить, что на этапе в) в зависимости от отклонения между зарегистрированным и ожидаемым противодавлениями подачи определяется поправочная величина для соответствующего ожидаемому противодавлению подачи эксплуатационного состояния подачи и эксплуатационный параметр насоса изменяется таким образом, что возникает скорректированное на поправочную величину эксплуатационное состояние подачи. С помощью такой меры можно гарантировать, что противодавление подачи очень быстро изменяется в направлении нужного значения, т.е. ожидаемого противодавления подачи.
В частности, можно действовать таким образом, что определяется отклонение между соответствующими ожидаемому и зарегистрированному противодавлениям подачи соотношениями, в качестве скорректированного эксплуатационного состояния подачи определяется эксплуатационное состояние подачи, отличающееся от установленного эксплуатационного состояния подачи с той же степенью отклонения, однако противоположным направлением отклонения, и для получения скорректированного эксплуатационного состояния подачи в качестве измененного эксплуатационного параметра насоса используется эксплуатационный параметр насоса, соответствующий скорректированному эксплуатационному состоянию подачи при, в основном, неизменном эксплуатационном параметре воздуходувки.
Изменение в характеристике горения в неизменном эксплуатационном состоянии подачи может быть вызвано, например, также изменением давления воздуха и, тем самым, изменением подаваемого воздуходувкой количества кислорода. Чтобы можно было отличить, например, такое сказывающееся на характеристике горения изменение окружающих условий от состояния, в котором изменение характеристики горения вызвано использованием другого топлива, далее предложено, что отопитель транспортного средства содержит датчик температуры отработавших газов для формирования информации о ней, в соответствии с эталонным эксплуатационным состоянием подачи определяются эталонные температура отработавших газов и противодавление подачи и что этап в) осуществляется тогда, когда в установленном эталонном эксплуатационном состоянии подачи зарегистрированные температура отработавших газов и противодавление подачи заданным образом отличаются от эталонных температуры отработавших газов и противодавления подачи.
В частности, при этом может быть предусмотрено, что этап в) осуществляется тогда, когда зарегистрированная температура отработавших газов ниже эталонной температуры отработавших газов, а зарегистрированное противодавление подачи ниже эталонного противодавления подачи.
Изобретение подробно описано ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представлено следующее:
- фиг. 1: принципиальный вид работающего на топливе отопителя транспортного средства;
2
- фиг. 2: диаграмма, которая, будучи нанесена в зависимости от представляющего эксплуатационное состояние подачи соотношения число оборотов/частота, в соответствии с различными видами топлива представляет устанавливающееся при горении содержание СО в отработавших газах и устанавливающееся противодавление подачи;
- фиг. 3: диаграмма, которая представляет для эталонного эксплуатационного состояния подачи, ожидаемые температуру отработавших газов и противодавление подачи.
На фиг. 1 работающий на топливе отопитель 10 транспортного средства включает в себя горелочную зону 12 с выполненной в ней камерой 14 сгорания. На дне горелочной зоны 12 расположена пористая испарительная среда 16, например, металлический холст, металлическая сетка, пенокерамика и т.п. Далее на дне может быть расположено электрически возбуждаемое нагревательное устройство 18, которое, в частности, на этапе запуска режима горения может поддерживать испарение топлива из пористой испарительной среды 16. Камера 14 сгорания ограничена, в основном, пламенной заслонкой 20. В пламенной трубе 22 образующиеся при сжигании отработавшие газы протекают в направлении теплообменного устройства, в котором содержащееся в отработавших газах тепло может передаваться на нагреваемую среду, например, воздух или воду.
Необходимое для горения топливо подается топливным насосом 24, например, насосом-дозатором, выполненным с периодически возвратно-поступательно перемещающимся поршнем, из топливного бака (не показан) по топливопроводу 26 в пористую испарительную среду 16. Жидкое топливо распределяется в испарительной среде 16 за счет капиллярного действия и на ее обращенной к камере 14 сгорания стороне испаряется в направлении камеры 14 сгорания.
Необходимый для горения воздух подается воздуходувкой 28 посредством приводимого во вращение подающего колеса 30 в обозначенный как «сборник» объем 32 вверх по потоку перед камерой 14 сгорания. Через отверстия, выполненные в окружающей камеру 14 сгорания периферийной стенке узла 12 камеры сгорания и/или в расположенном в дне воздуховпускном патрубке или прочие, допускающие поступление воздуха в камеру 14 сгорания, подаваемый воздуходувкой 28 воздух для горения поступает в камеру 14 сгорания и смешивается там с парами топлива. Образовавшаяся смесь воздуха для горения и паров топлива может быть воспламенена в начале режима горения запальным органом 34, например, штифтом накаливания.
Топливный насос 24, воздуходувка 28, нагревательное устройство 18 и запальный орган 34 управляются с помощью устройства 36 управления. В соответствии с заданным для отопителя 10 режимом горения или требуемой теплопроизводительностью устройство 36 управления управляет топливным насосом 24 и воздуходувкой 28 таким образом, что в камере 14 сгорания образуется способная к горению смесь из воздуха и топлива в нужном соотношении и в требуемом количестве. При этом в соответствии с требуемой теплопроизводительностью эксплуатационное состояние подачи можно охарактеризовать с использованием числа оборотов подающего колеса 30 как эксплуатационный параметр воздуходувки, а частоту перемещений поршня топливного насоса 24 – как эксплуатационный параметр насоса. В частности, такое эксплуатационное состояние подачи можно охарактеризовать как отношение числа оборотов к частоте перемещений. Для каждой требуемой в режиме отопления теплопроизводительности или для каждого соответствующего эксплуатационного состояния подачи можно, тем самым, задать число оборотов и соответственно частоту перемещений или сохранить в устройстве 36 управления, например, в виде таблицы или характеристического поля. Если должна быть запрошена определенная теплопроизводительность, то топливный насос 24 и воздуходувка 28 управляются таким образом, что они эксплуатируются с этой теплопроизводительностью или соответствующим данному эксплуатационному состоянию подачи числом оборотов и частотой перемещений. Здесь может осуществляться, например, регулирование числа оборотов и частоты перемещений. Непосредственной регистрации требуемого количества воздуха или требуемого количества топлива, как правило, не происходит. Также, как правило, отсутствует какая-либо информация о том, какой вид топлива используется для горения.
Отопителю 10 придан датчик 38 давления. Он расположен вниз по потоку за воздуходувкой 28, например, в объеме 32, и регистрирует, тем самым, противодавление подачи, т.е. давление, против которого воздуходувка 28 подает воздух для горения. Датчик 40 температуры, который может быть расположен, например, в зоне пламенной трубы 22 или дальше вниз по потоку, может быть расположен, в принципе, также в зоне камеры 14 сгорания, регистрирует температуру покидающих камеру 14 сгорания отработавших газов. Как температура отработавших газов, так и противодавление подачи являются параметрами, которые находятся во взаимосвязи с протекающим горением. Чем больше сжигается топлива, тем больше образующееся при сжигании количество отработавших газов и тем выше давление, против которого воздуходувка 28 должна подавать воздух для горения. Чем больше сжигается топлива, тем больше высвобождающееся при сжигании количество энергии и тем выше будет температура отработавших газов.
Также качество сжигаемого топлива влияет на зарегистрированные датчиками 38, 40 параметры. При сжигании высококачественного топлива, например, дизеля, на каждую сожженную количественную единицу топлива высвобождается большее количество энергии, что приводит к соответственно большему объему отработавших газов и противодавлению подачи, а также к соответственно более высокой температуре отработавших газов. Топливо более низкого качества, например, ОМЭ, при таком же требуемом количестве вызывает высвобождение меньшего количества энергии и в соответствии с этим более низкую температуру отработавших газов, а также более низкое противодавление подачи. Это и используется в изобретении, чтобы описанным ниже образом в режиме горения принять корректировочные меры, которые обеспечат то, что использование топлив разного качества не приведет к недостижению требуемой для устанавливаемого режима горения теплопроизводительности, хотя в камеру 14 сгорания подаются заданное в соответствии с этой теплопроизводительностью количество топлива и соответствующее количество воздуха для горения.
1
2
2
E
Е
1
2
На фиг. 2 с помощью кривой К, обозначающей эталонное топливо, т.е., например, дизель, показана взаимосвязь между эксплуатационным состоянием подачи и содержанием СО в отработавших газах. Эксплуатационное состояние подачи охарактеризовано соотношением между эксплуатационным параметром воздуходувки, представляющим число оборотов подающего колеса 30, и эксплуатационным параметром насоса, представляющим частоту перемещений поршня топливного насоса 24. В частности, эксплуатационное состояние подачи охарактеризовано соотношением число оборотов/частота. Чтобы достичь содержания СО 9,5-9,6%, устанавливается эксплуатационное состояние подачи, в котором соотношение число оборотов/частота составляет около 1670. Предположив это эксплуатационное состояние F подачи, следует при использовании дизеля в качестве топлива ожидать того, что при протекающем тогда горении установится противодавление Р подачи около 2135 Па. Следует указать на то, что в соответствии с кривой К кривая К представляет ожидаемое для данного эксплуатационного состояния подачи противодавление подачи.
3
2
2
2
Кривая К представляет для различных эксплуатационных состояний подачи, т.е. различных соотношений число оборотов/частота, содержащуюся в отработавших газах долю СО для альтернативного топлива, например, ОМЭ. Поскольку это альтернативное топливо имеет заметно меньшую теплоту сгорания, чем дизель, сжигание такого же количества топлива, т.е. работа с таким же соотношением число оборотов/частота, приводит к меньшему содержанию СО в отработавших газах. Чтобы достичь такого же состояния горения, т.е. чтобы можно было высвободить такую же теплопроизводительность, что, в конечном счете, означает, что также содержание СО лежит в таком же диапазоне, например, составляет 9,5-9,6%, пришлось бы при использовании ОМЭ в качестве топлива работать с заметно более высоким содержанием топлива в смеси, что, в конечном счете, означало бы эксплуатационное состояние подачи, представляющее заметно меньшее соотношение число оборотов/частота около 890.
E
Е
е
Е
Предположим, отопитель 10 эксплуатируется с топливом неизвестного качества в эксплуатационном состоянии подачи, соответствующем эксплуатационному состоянию F подачи. Как уже было указано, для эталонного топлива-дизель-ожидаемое противодавление Р подачи составило бы всего около 2030 Па. При неизменном эксплуатационном параметре воздуходувки, т.е. числе оборотов, и неизменном эксплуатационном параметре насоса, т.е. частоте перемещений, можно, в принципе, исходить из того, что также зарегистрированное противодавление Р подачи ниже ожидаемого противодавления Р подачи объясняется использованием топлива с меньшей теплотой сгорания.
Е
е
E
К
E
е
E
К
2
4
2
Чтобы, не имея подробных данных о качестве фактически используемого топлива, можно было позаботиться о том, чтобы горение протекало снова с достижением для определенного устанавливаемого эксплуатационного состояния требуемой теплопроизводительности, прежде всего, определяется отклонение А между соответствующим ожидаемому противодавлению Р подачи эксплуатационным состоянием подачи и соответствующим зарегистрированному противодавлению Р подачи эксплуатационным состоянием подачи. Исходя из установленного эксплуатационного состояния F подачи, можно тогда определить скорректированное эксплуатационное состояние F подачи за счет отклонения от эксплуатационного состояния F подачи, однако в противоположном направлении. Это значит, что в то время как зарегистрированное противодавление Р подачи подразумевает наличие фиктивного эксплуатационного состояния подачи, лежащего на отклонение А выше установленного эксплуатационного состояния F подачи, скорректированное в описанном выше смысле эксплуатационное состояние F подачи означает работу с повышенной в соответствующей степени долей топлива в топливовоздушной смеси. Это приводит к тому, что при использовании топлива, чья взаимосвязь эксплуатационное состояние подачи/содержание СО представлено кривой К, вследствие повышенного содержания топлива при оставленном без изменений количестве воздуха также достигается содержание СО 9,5-9,6%, а это, в конечном счете, означает, что отопитель 10 снова может эксплуатироваться с заданной для определенного эксплуатационного состояния теплопроизводительностью. Поясненная выше корректировка основана при этом на предположении, что различные кривые на фиг. 2, по меньшей мере, для меньших отклонений могут интерпретироваться приблизительно как линейные характеристики.
С помощью описанной выше процедуры можно по типу управления очень быстро привести противодавление подачи в направлении ожидаемого противодавления подачи, если используется иное топливо, нежели эталонное топливо. Поскольку существует ясная взаимосвязь между противодавлением подачи и качеством протекающего горения и, тем самым, теплопроизводительностью, обеспечивается то, что, несмотря на отсутствие непосредственных данных о фактически используемом топливе, достигается требуемая теплопроизводительность для заданного режима отопления. В качестве альтернативы или дополнительно достижение этой требуемой теплопроизводительности, т.е. установка соответствующего этой теплопроизводительности противодавления подачи, может происходить также в рамках контура регулирования. Ожидаемое для устанавливаемой теплопроизводительности противодавление подачи образует в качестве заданного значения входной параметр, а зарегистрированное противодавление подачи в качестве фактического значения – регулируемый параметр. В качестве управляющего параметра влияние оказывает количество подаваемого топлива, т.е., например, частота, с которой перемещается поршень топливного насоса. Посредством такого регулирования, протекающего, например, в виде пропорционального регулирования, можно в равной мере позаботиться о том, чтобы, не имея подробных сведений о фактически используемом топливе, можно было за счет регулирования противодавления подачи до ожидаемого противодавления подачи достичь также требуемой теплопроизводительности. Такое регулирование противодавления подачи может осуществляться, например, также в сочетании с описанной выше со ссылкой на фиг. 2 процедурой. При этом можно сначала, используя описанную выше процедуру, с помощью единственной операции корректировки изменить эксплуатационное состояние подачи таким образом, что можно предположить, что устанавливающееся тогда противодавление подачи уже соответствует ожидаемому противодавлению подачи или очень близко к нему. Если эта корректировка однажды проведена, то тогда в рамках чувствительного контура регулирования можно позаботиться о том, чтобы, в основном, полностью было устранено, возможно, еще имеющееся небольшое отклонение между зарегистрированным противодавлением подачи, т.е. регулируемым параметром, и ожидаемым противодавлением подачи, т.е. управляющим параметром.
2
5
2
6
Как сказано выше, описанная корректировка проводится, в частности, тогда, когда обнаружено, что противодавление подачи, зарегистрированное в соответствии с установленным эксплуатационным состоянием подачи, не соответствует противодавлению подачи, ожидаемому для этого эксплуатационного состояния подачи. Это может быть вызвано, но, как правило, необязательно, использованием топлива другого качества. На фиг. 3 для определенного эксплуатационного состояния отопителя 10, в котором он с соответствующим этому эксплуатационному состоянию эксплуатационным состоянием подачи эксплуатируется таким образом, что содержание СО ожидается немного выше 9,6%, изображены представленные точкой D давления и точкой Т температуры, ожидаемые значения противодавления подачи и температуры отработавших газов. Для этого определенного эксплуатационного состояния или соответствующего ему эксплуатационного состояния подачи ожидаемое противодавление подачи составляет около 2135 Па, а ожидаемая температура отработавших газов – около 340ºС. Если, исходя из этого определенного эксплуатационного состояния, использовать другое топливо, т.е., например, топливо с более высоким содержанием ОМЭ и, тем самым, с соответственно меньшей теплотой сгорания, то при неизменном подаваемом количестве воздуха для горения противодавление подачи будет уменьшаться вдоль кривой К. Вследствие уменьшающегося с возрастанием доли ОМЭ в топливе качества или соответственно уменьшающейся теплоты сгорания горение приведет к снижению доли СО в отработавших газах. Соответственно снижается температура отработавших газов, исходя из точки Т температуры вдоль кривой К. Это значит, что когда снижаются противодавление подачи и температура, исходя из заданного для эталонного эксплуатационного состояния подачи эталонного противодавления подачи, которое соответствует точке D давления, и эталонной температуры отработавших газов, которая соответствует точке Т температуры, это ясно указывает на то, что используется топливо с меньшей теплотой сгорания, чем эталонное топливо, т.е., например, дизель, и в соответствии с этим можно произвести описанную выше со ссылкой на фиг. 2 корректировку. Здесь, например, как в соответствии с температурой отработавших газов, так и в соответствии с противодавлением подачи можно установить порог, превышение или недостижение которого в данном случае используется в качестве критерия того, что производится изображенная на фиг. 2 корректировка эксплуатационного состояния подачи.
7
2
8
Однако снижение противодавления подачи может быть вызвано также снижением давления воздуха и, тем самым, доли кислорода на подаваемую количественную единицу воздуха. Это может произойти, например, тогда, когда изменения погоды приводят к изменению давления воздуха или транспортное средство эксплуатируется на разных высотах. Устанавливающееся при таком изменении содержания кислорода в воздухе изменение противодавления подачи представлено кривой К. Она показывает, что при уменьшении содержания кислорода и соответствующем сдвиге сжигаемой смеси в направлении богатой смеси и, тем самым, при возрастании содержания СО в отработавших газах противодавление подачи сильно падает. Однако в то же время, представленное в этом случае кривой К изменение температуры остается небольшим. Изменение содержания кислорода в воздухе почти не вызывает, тем самым, изменения температуры отработавших газов или вызывает лишь ее небольшое повышение, тогда как противодавление подачи сильно падает. Если, следовательно, для изложенного выше решения в качестве критериев задаются недостижение порогов температуры отработавших газов и противодавления подачи, то в этом случае противодавление подачи не достигло бы порога, а в случае температуры отработавших газов такого недостижения, однако, не наблюдалось бы, поскольку температура отработавших газов остается почти такой же или незначительно повышается. В этом случае можно сделать вывод о том, что падение противодавления подачи не вызвано изменением состава топлива и, следовательно, описанная выше со ссылкой на фиг. 2 корректировка эксплуатационного состояния подачи не должна производиться. В этом случае могут быть приняты другие, компенсирующие давление воздуха корректировочные меры.
В принципе, по изображенной на фиг. 3 взаимосвязи можно в качестве альтернативы или дополнительно к оценке значений давления и температуры учесть также соответствующий градиент устанавливающихся отклонений от точки D давления и точки Т температуры.