СПОСОБ И СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДВУХТОПЛИВНОГО ДВС
METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING OPERATION MODES OF DUAL FUEL

Изобретение относится к области двигателестроения и, в частности, к системам регулирования топливоподачи газодизелей, а также к областям автомобильной электроники, электропривода и импульсной техники, и может быть использовано в машиностроении, двигателестроении.
Изобретение представляет собой универсальную двухтопливную систему питания с использованием газообразных топлив (к которым относятся, в частности, метан, пропан-бутановая смесь, попутные углеводородные газы, биогаз, водород и др.), как основных, и дизельного топлива, как источника воспламенения газовоздушной смеси, реализуемую с минимальными изменениями в конструкции штатной системы питания дизельного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) любого типа (с топливными насосами высокого давления (ТНВД), с насос-форсунками или системой Common Rail) и без всякого вмешательства в конструкцию самого дизельного ДВС любого применения (автомобили легковые, грузовые, специального назначения; автобусы, тракторы и комбайны, тепловозы, суда и паромы речные и морские; компрессорные, насосные и бурильные установки; электростанции автономные и мобильные).
Известна система двойного питания и регулирования газодизеля, описанная в патенте Украины СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОДИЗЕЛЯ №89683, которая выбрана в качестве прототипа настоящему изобретению, как наиболее близкая по технической сущности и количеству общих признаков.
Общими признаками известного и предлагаемого способов являются одинаковые принципы управления двухтопливной системой питания газодизеля, конвертированной из штатной системы питания дизеля с минимальным вмешательством в ее конструкцию и полным сохранением способности дозирования дизельного топлива (ДТ) в качестве основного при работе по классическому циклу Дизеля, когда в цилиндры ДВС, предварительно наполненные воздухом на тактах впуска, в конце следующих тактов сжатия воздуха впрыскивают основное ДТ. А во время работы по циклу газодизеля (т.е., с внутренним смесеобразованием в отношении ДТ и внешним - в отношении газа), система питания сначала подает в цилиндры ДВС на тактах впуска готовую газовоздушную смесь, а потом, в конце тактов сжатия, впрыскивает ДТ. Дополнительное газообразное топливо, как более дешевое и более калорийное, используют для частичного замещения ДТ. При этом принудительно сокращают расход ДТ до необходимого и достаточного количества, главным образом, для поджигания газо-воздушной топливной смеси, т.е. до уровня «запальной дозы». Посредством системы питания газодизеля адекватно корректируют количественный баланс между двумя топливными составляющими (основной и дополнительной), соответственно режимам работы ДВС.
Холодный пуск ДВС производят посредством основной (дизельной) системы питания.
В режиме холостого хода и малых нагрузок, из-за переобедненной смеси, величина запальной дозы равна величине расхода ДТ при работе двигателя в щтатном дизельном режиме.
При нагрузках ДВС в пределах номинальных, когда топливная смесь уже достаточно обогащена и надежно воспламеняется, величину запальной дозы ДТ дозируют на минимальном допустимом уровне. Известный способ имеет следующие недостатки:
- небольшая интегральная степень замещения ДТ газообразным, что существенно снижает экономическую эффективность от его реализации и увеличивает срок окупаемости дополнительного оборудования, а также стоимость монтажных работ;
- не эффективное использование автотранспортных средств (АТС) с газодизельными двигателями в условиях городского цикла.
Указанные недостатки способа являются следствием того, что работа по газодизельному циклу, при сохранении свойственного дизельному ДВС принципа качественного регулирования, позволяет, лишь в узком диапазоне нагрузочных характеристик, ближе к номинальным нагрузкам, организовать оптимальное горение газо-воздушной смеси.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования известного способа регулирования системы питания газодизеля за счет обеспечения состава газо-воздушной смеси близкого к оптимальному в широком диапазоне нагрузочных характеристик, что позволяет существенно увеличить замещение ДТ газом, а расход ДТ ограничить запальной дозой минимального уровня.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе регулирования двухтопливной системы питания газодизеля, конвертированной из штатной системы питания дизеля с минимальным вмешательством в конструкцию дизельного ДВС (и с полным сохранением способности ДТ в качестве основного при работе по классическому циклу Дизеля), во время работы по циклу газодизеля расход ДТ принудительно сокращают до необходимого и достаточного, главным образом - до уровня запальной дозы, причем, посредством управления системой питания газодизеля, обеспечивают адекватную работу двигателя, а именно:
- холодный пуск ДВС производят посредством дизельной системы питания;
- на всех остальных режимах работы двигателя (холостого хода, малых и средних нагрузок, а так же при нагрузках ДВС, близких к номинальным), величину запальной дозы ДТ дозируют на минимальном допустимом уровне; согласно изобретению, при работе по газодизельному циклу на стадии внешнего смесеобразования для достижения оптимальной по составу газо-воздушной смеси дополнительно регулируют величину расхода всасываемого в воздушный коллектор воздуха на всех режимах работы ДВС, а запальную дозу уменьшают до уровня, обеспечивающего надежное воспламенение газо-воздушной смеси; и при этом:
- в штатном режиме дизеля расход всасываемого воздуха не ограничивают;
- в режиме холостого хода газодизеля объем всасываемого воздуха поддерживают на уровне, обеспечивающем во время такта сжатия необходимую температуру надежного воспламенения запальной дозы ДТ;
- в нагрузочном режиме расходы воздуха и газа, поддерживая их оптимальное соотношение, регулируют прямо пропорционально величине нагрузки на ДВС, и при этом запальную дозу поддерживают на минимальном допустимом уровне.
Способ-прототип реализован в следующей системе (устройстве). Известная система регулирования газодизеля содержит: электронный блок управления (ЭБУ), переключатель режимов «ГА3-ДИЗЕЛЬ» (Г-Д), сигнальную лампу, датчик частоты вращения (ДЧВ) коленчатого вала (KB) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), механизм управления запальной дозой (МУЗД), содержащий серводвигатель с редуктором и датчиком положения выходного вала редуктора с поворотным рычагом на его выходном валу, рейку управления плунжерными парами топливного насоса высокого давления (ТНВД), рейку с подвижной кинематической связью с главным рычагом ТНВД, регулятор ТНВД, пружину, двуплечий рычаг управления ТНВД, тягу рычага управления, педаль акселератора, датчик положения педали акселератора (ДППА) с тремя выводами, электромагнитный дозатор газа (ДГ) с заслонкой, электромагнитный клапан подачи газа.
В процессе работы системы величина запальной дозы дизельного топлива (ДТ) в скоростном и нагрузочном режимах при работе по циклу газодизеля корректируется серводвигателем механизма управления запальной дозой (МУЗД) по определенному алгоритму, формируемому с помощью подстроечных потенциометров в ЭБУ. Поворотный рычаг на валу редуктора серводвигателя ограничивает перемещение топливной рейки ТНВД в сторону увеличения расхода дизельного топлива (ДТ), а ДГ обеспечивает допустимое замещение ДТ газообразным. ДГ управляется от ЭБУ, в котором установлен переключатель режимов дозирования газа в функции положения педали акселератора либо с отрицательной обратной связью по частоте вращения KB ДВС, либо без нее.
Система-прототип имеет следующий недостаток: оно обеспечивает удовлетворительный состав газо-воздушной топливной смеси только в узком диапазоне нагрузочных характеристик, из-за чего запальная доза ДТ существенно завышена как во время холостого хода, чтобы обеспечить надежное воспламенение бедной газо-воздушной смеси, так и малых нагрузок, чтобы добавить к ней мощностную составляющую. В конечном результате это приводит к сокращению замещения ДТ газообразным.
Этот недостаток связан с тем, что газодизельная система питания системы-прототипа не оснащена средством регулирования расхода воздуха и работает по классическому циклу Дизеля, реализуя принцип качественного регулирования топливной смеси.
В основу изобретения поставлена задача увеличение процента замещения ДТ газообразным за счет обеспечения надежного воспламенения газо-воздушной топливной смеси в широком диапазоне нагрузочных характеристик, как во время холостого хода, так и при малых нагрузках, путем обеспечения регулирования расхода воздуха на входе во впускной коллектор дизеля в указанном диапазоне адекватно принципу количественного регулирования топливной смеси. Т.е. ДВС, фактически, переводится из цикла Дизеля в цикл Отто.
Поставленная задача решается за счет того, что в известную систему регулирования газодизеля, содержащую: первый ЭБУ-1, переключатель режимов работы «Дизель - Газодизель» (Д - ГД), датчик частоты вращения (ДЧВ) KB ДВС, сигнальную лампу, МУЗД в виде серводвигателя с редуктором и резистивным датчиком положения выходного вала редуктора, ТНВД, двуплечий рычаг управления которого кинематически связан одним плечом через тягу с педалью акселератора, датчик положения (ДППА) которой установлен на оси двуплечего рычага, и другим плечом через пружину - с главным рычагом, также взаимодействующим через подвижную муфту с центробежным механизмом регулятора ТНВД, а, через подвижную кинематическую связь, - с тягой топливной рейки ТНВД, движение которой в сторону увеличения подачи ДТ при работе по газодизельному циклу ограничивается на уровне, соответствующем минимальной запальной дозе ДТ, с помощью поворотного рычага на валу редуктора МУЗД; электромагнитный клапан подачи газа; электроуправляемый ДГ, причем, первый, второй и третий выводы ЭБУ соединены, соответственно, с переключателем режимов, через контакты которого бортовое напряжение питания подается в ЭБУ, с сигнальной лампой и с датчиком частоты вращения, в качестве которого используется бортовой генератор переменного тока; четвертый вывод ЭБУ подключен непосредственно к положительному выводу источника бортового напряжения питания; пятый вывод - к отрицательному выводу бортового источника питания; шестой вывод соединен с выходом датчика положения вала серводвигателя; выводы седьмой и восьмой подключены к выводам якоря серводвигателя; выводы девятый, десятый и одинадцатый соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим выводами ДППА; выводы двенадцатый, тринадцатый и четырнадцатый соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим выводами ДГ, а пятнадцатый вывод ЭБУ подключен к выводу питания электромагнитного клапана подачи газа; согласно изобретению введены дополнительно: второй ЭБУ 2 и электроуправляемый дозатор воздуха (ДВ), установленный на входе во впускной воздушный коллектор дизеля; ЭБУ-2 содержит шесть выводов для сопряжения с системой, логический инвертор, смеситель, пять подстроенных потенциометров, первый и второй компараторы, генератор пилообразного напряжения (ГПН) и стабилизатор бортового напряжения. Первый, второй, третий и четвертый выводы ЭБУ-2 соединены соответственно с четвертым, пятым, десятым и пятнадцатым выводами ЭБУ-1. Первый вывод ЭБУ-2 соединен через последовательные силовой ключ и пятый вывод с входом управления ДВ, и, через вход стабилизатора напряжения, - с общей точкой схемы ЭБУ-2. Четвертый вывод ЭБУ-2 подключен через инвертор ко второму входу управления смесителя. Первый, третий и четвертый входы смесителя соединены, соответственно, с движками первого, второго и третьего потенциометров, вторые выводы которых соединены с общей точкой схемы. Первый вывод первого потенциометра соединен с третьим выводом ЭБУ-2, а первые выводы второго, третьего и четвертого - с выходом стабилизатора напряжения. Выход смесителя подключен к неинвертирующему входу первого компаратора, его инвертирующий вход - к движку пятого потенциометра, первый вывод которого соединен через шестой вывод ЭБУ-2 с выходом датчика положения ДВ, а выход первого компаратора соединен с первым входом элемента 2И, выход которого подключен к входу управления силового ключа. Второй вход элемента 2И соединен с выходом второго компаратора, не инвертирующий и инвертирующий входы которого подключены, соответственно, к движку четвертого потенциометра и выходу ГПН. Первый и третий входы смесителя связаны через последовательные первый и второй резисторы, точка соединения которых подключена к его выходу через первых диод. Второй вход смесителя связан с его четвертым входом через последовательные третий резистор, второй и третий диоды, а точка соединения диодов также подключена к выходу смесителя. На Рис. 1 приведена функциональная схема системы. На Рис. 2 приведена принципиальная схема смесителя в ЭБУ-2.
Система содержит: выходные выводы с первого по пятнадцатый 1-15 в ЭБУ-1 16 и дополнительный ЭБУ-2 17, переключатель режимов Г-Д 18, сигнальную лампу 19, датчик частоты вращения KB ДВС 20, датчик положения 21 выходного вала серводвигателя 22 с редуктором и с поворотным рычагом 23 на выходном валу редуктора, рейку 24 управления плунжерными парами 25 в ТНВД 26, тягу рейки 27 с подвижной кинематической связью 28 с главным рычагом 29 ТНВД, регулятор 30 ТНВД, пружину 31, двуплечий рычаг 32 управления ТНВД, тягу 33 рычага управления, педаль акселератора 34, ДППА 35 с тремя выводами, электромагнитный дозатор 36 газа с газовой заслонкой, электромагнитный клапан 37 подачи газа, сервопривод 38 регулятора воздуха (РВ) с воздушной заслонкой, датчик 39 положения заслонки РВ; выходные выводы ЭБУ-2 17 с первого по шестой, соответственно, 40-45.
ЭБУ-2 17 содержит: логический инвертор 46, смеситель 47, пять подстроечных потенциометров 48-50, 52 и 56, соответственно, первый 51 и второй 54 компараторы, логический элемент 53 2-И, ГПН 55, силовой электронный ключ 57, и стабилизатор 58 бортового напряжения. Первый 40, второй 41, третий 42 и четвертый 43 выводы ЭБУ-2 17 соединены, соответственно, с выводами 4, 5, 10 и 15 в ЭБУ-1. Первый вывод 40 ЭБУ-2 17 соединен через последовательные силовой ключ 57 и пятый вывод 44 с входом управления ДВ 38, и, через вход стабилизатора 58 напряжения, - с общей точкой схемы ЭБУ-2. Четвертый вывод 43 ЭБУ-2 17 подключен через инвертор 46 к второму входу управления смесителя 47. Первый 1, третий 3 и четвертый 4 входы смесителя 47 соединены, соответственно, с движками первого 48, второго 49 и третьего 50 потенциометров, вторые выводы которых соединены с общей точкой схемы. Первый вывод первого потенциометра 48 соединен с третьим выводом 42 ЭБУ-2, а первые выводы второго 49, третьего 50 и четвертого 56 - с выходом стабилизатора 58 напряжения. Выход 5 смесителя 47 подключен к неинвертирующему входу первого компаратора 51, его инвертирующий вход - к движку пятого потенциометра 52, первый вывод которого соединен через шестой вывод 45 в ЭБУ-2 17 с выходом датчика 39 положения ДВ, а выход первого компаратора соединен с первым входом элемента 53 2И, выход которого подключен к входу управления силового ключа 57. Второй вход элемента 2И соединен с выходом второго компаратора 54, неинвертирующий и инвертирующий входы которого подключены, соответственно, к выходу ГПН 55 и движку четвертого потенциометра 56. Первый 1 и третий 3 входы смесителя 47 связаны через последовательные первый 59 и второй 60 резисторы, точка соединения которых подключена к его выходу 5 через первый диод 61. Второй вход 2 смесителя 47 связан с его четвертым входом 4 через последовательные третий резистор 62, второй 63 и третий 64 диоды, а точка соединения диодов также подключена к выходу 5 смесителя 47.
В процессе работы системы в режиме газодизеля МУЗД и РГ работают по алгоритму и схеме, полностью соответствующим системе-прототипу. Единственным отличием являются более низкий уровень настройки величины «запальной дозы» и более высокий - расхода газа, задаваемые посредством соответствующих потенциометров.
Управление ДВ осуществляется в функции сигнала от ДППА линейно и с учетом необходимого согласования конкретного исполнения ДВ и различных диапазонов изменения сигнала ДППА при полном ходе педали акселератора. Управляющий сигнал формируется с помощью смесителя 47, принципиальная схема которого приведена на Рис. 2. После переключения в режим газодизеля и соблюдения всех необходимых условий перехода ЭБУ 16 включает электромагнитный клапан 37 подачи газа. Одновременно с этим напряжение питания клапана 37 с вывода 15 ЭБУ 16 поступает через вывод 43 ЭБУ 17 на вход 2 смесителя 47 после инвертирования в инверторе 46. Сигнал «0» на выходе инвертора 46 блокирует диод 63, и резистор 62 в работе смесителя 47 не участвует.Напряжение управления с выхода ДППА 30 одновременно поступает в ЭБУ 16 через его вывод 10 для дозирования расхода газа, и в ЭБУ 17, через вывод 42, на первый вывод подстроечного потенциометра 48. Сигнал задания положения заслонки ДВ формируется путем суммирования напряжений, снимаемых с движков потенциометров 48 и 49. С помощью потенциометра 48 задают положение допустимого уровня максимального открытия заслонки ДВ с учетом ее типа, мощности ДВС и уровня сигнала на выходе ДППА 35. С помощью потенциометра 49 задают положение минимального открытия заслонки ДВ при работе газодизеля на холостом ходу. Сигналы управления через развязывающий диод 61 и выход 5 смесителя 47 поступают на неинвертирующий вход компаратора 51. В режиме Дизеля, когда клапан 37 отключен, сигнал высокого уровня, поступающий с выхода инвертора 46 через резистор 62 и диод 63, блокирует диод 61 и поступает на выход 5 смесителя 47. В этом режиме доступ воздуха не ограничивается и заслонка ДВ полностью открыта. Для облегчения адаптации ДВ к конкретному типу ДВС и АТС этот сигнал блокирования выбирается несколько избыточным, а переход заслонки за точку максимального открытия предотвращается с помощью потенциометра 50. Правильная работа смесителя 47 обеспечивается при выборе величин сопротивлений резисторов 59, 60 и 62 на порядок больше, чем сопротивлений потенциометров 48, 49, 50.
Компаратор 51 сравнивает сигнал задания положения заслонки ДВ с сигналом обратной связи от датчика 39 положения заслонки ДВ и формирует на своем выходе импульсы напряжения для управления силовым ключом 57, подающим модулированное напряжение бортовой сети на сервопривод 38 ДВ. Эти импульсы передаются через логический элемент 53 2И. Пульсирующее напряжение управления помогает сервоприводу 38 преодолеть сопротивление возвратной пружины и принуждает заслонку ДВ совершать небольшие колебания относительно положения заданной точки со сравнительно низкой частотой. Таким образом, реализуется принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ) бортового напряжения в следящей системе позиционирования релейного типа с отрицательной обратной связью (ООС) по положению заслонки ДВ.
Второй компаратор 54 и ГПН 55 используются для адаптации к данному бортовому напряжению и типу конкретного ДВ. Компаратор 54 формирует на втором входе элемента 53 сигналы второй ШИМ, сравнивая на своих входах пилообразное напряжение от ГПН 55 и напряжение задания, снимаемое с движка потенциометра 56. Эта вторая ШИМ осуществляется принудительно с постоянной скважностью и постоянной повышенной частотой с целью понижения среднего напряжения импульсов первой низкочастотной ШИМ. Посредством элемента 53 импульсы первой ШИМ оказываются модулированными импульсами второй ШИМ. Такая двойная модуляция обеспечивает надежную работу любых ДВ с возвратной пружиной в диапазоне бортовых напряжений от 6 В до 24 В, и отвечает критериям получения минимального тока управления сервоприводом, минимального размаха колебаний относительно заданной точки и минимального гистерезиса при позиционировании из-за сухого трения.
Следует отметить, что в предложенном устройстве МУЗД также может быть выполнен по схеме прямого управления с использованием шаговых двигателей, линейных или роторных, и современных актуаторов, поворотных или линейных, с понижающими передачами любого типа, а также реализован на штатных насос-форсунках или путем дополнительного управления штатной системой Common Rail.
Система подачи газа может быть выполнена как центральной, так и распределенной, асинхронной или синхронной фазированной с любыми электроуправляемыми исполнительными дозирующими устройствами с подпружиненной заслонкой; ДВ также может быть выполнен с помощью любого регулятора расхода газообразных сред с подпружиненной заслонкой, датчиком положения исполнительного органа и приводом, например, в виде серводвигателя, электромагнита или другого актуатора, например, в виде механизма дроссельной заслонки или электронно-управляемого воздушного патрубка.
Реализация предлагаемого изобретения позволяет получить технический результат, заключающийся в следующем:
- регулирование расхода воздуха на входе во впускной коллектор дизеля во всем диапазоне нагрузочных характеристик адекватно принципу количественного регулирования топливной смеси и значительное увеличение объема замещенного ДТ на газообразное;
- существенное повышение экономической эффективности газодизельного цикла в связи с радикальным уменьшением потребления ДТ, разнице в цене и эксплуатационных преимуществах газового топлива;
- экологический эффект от сжигания меньшего объема ДТ и эффективного использования АТС с дизельными двигателями, работающими по городскому циклу в режиме газодизеля (в составе городских автобусов, коммунальной техники и других АТС);
- в экономическом и экологическом отношении конвертированный дизельный ДВС практически не уступает газовому ДВС, но он имеет существенное преимущество в отношении двухтопливности на фоне недостаточно развитой инфраструктуры газовых заправок.
При изучении патентной и технической литературы авторы не нашли источника, содержащего признаки, отличающие заявляемое решение. Это позволяет считать его соответствующим критерию «новизна». Несмотря на актуальность проблемы, аналогичное решение с указанным результатом не было предложено ранее, и оно не является очевидным для специалиста, что позволяет считать его соответствующим критерию «изобретательский уровень».
Описанное устройство в качестве примера реализации способа является технически завершенным, выполненным на известной элементной базе и может быть изготовлено промышленным способом.