СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОПОРШНЕВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Полезная модель относится к двигателестроению, а конкретно к газопоршневым двигателям с системами управления.
Известно устройство, реализованное по способу управления газовым двигателем, в котором воспламеняется и сжигается топливный газ, при этом газовый двигатель содержит: турбонагнетатель для повышения давления окружающего воздуха и подачи воздуха к двигателю к множеству цилиндров; первую линию подачи газа с ответвленной линией, отходящей в каждый цилиндр; первый газовый клапан для каждого цилиндра, при этом каждый клапан установлен на ответвленной линии подачи газа и выполнен с возможностью регулирования расхода топливного газа в направлении каждого цилиндра; газовый компрессор, предусмотренный на первой газовой линии и сжимающий топливный газ в направлении первого газового клапана через первую газовую линию так, что давление через первую газовую линию превышает давление, нагнетаемое турбонагнетателем; при этом топливный газ через первую газовую линию и воздух через турбонагнетатель смешивают с формированием газовоздушной смеси; и в случае, когда топливный газ имеет низкую теплотворную способность, или в случае, когда выходная мощность двигателя является высокой, двигатель дополнительно содержит: вторую газовую линию в направлении всасываемого воздуха перед турбонагнетателем, ответвленную от линии источника подачи газа; второй газовый клапан для регулирования потока топливного газа через вторую газовую линию в направлении всасываемого воздуха перед турбонагнетателем, регулируемый посредством двухпозиционного перемещения; газовоздушный смеситель, предусмотренный на расположенной выше по потоку линии всасывания воздуха для всасываемого воздуха в направлении турбонагнетателя и смешивающий топливный газ через вторую газовую линию с окружающим воздухом, проводимым в направлении турбонагнетателя; при этом топливный газ и воздух смешивают с формированием смеси заданного состава, которая является более бедной, чем нижний предел воспламеняемости относительно топливного газа, после чего смесь воздуха и топливного газа подают в турбонагнетатель, тогда как оставшийся топливный газ, который не подается в смеситель из линии источника подачи газа, направляют в каждый цилиндр через газовый компрессор и через первую газовую линию в направлении каждого цилиндра с формированием заданного состава топливовоздушной смеси в каждом цилиндре посредством регулирования первого газового клапана для каждого цилиндра; и в случае, когда топливный газ имеет высокую теплотворную способность, или в случае, когда выходная мощность двигателя является низкой, второй газовый клапан для всасываемого воздуха закрывают так, что весь топливный газ из линии источника подачи газа направляется в каждый цилиндр через первую газовую линию, [патент РФ №2434150, МПК F02B 43/00, F02M 21/02, F02M 21/04, опуб. 20.11.2008, авторы Нисио Хидеки и др., "Способ управления газовым двигателем и система газового двигателя"].
Недостатком данного изобретения является отсутствие контроля расхода топлива и воздуха, за счет регулирования избытка воздуха и рекуперации тепла, которые обеспечивают снижение расхода топлива.
Известна система управления газопоршневым двигателем, содержащим корпус, в котором установлены коленчатый вал с маховиком, распределительный вал, рабочие цилиндры с подсоединенными к ним впускным и выпускным коллекторами, а также воздухоподводящую линию, соединенную с впускным коллектором, состоящая из по меньшей мере двухступенчатого редуктора низкого давления, соединена посредством трубопровода низкого давления с газовой магистралью, оснащенной газовыми электромагнитными форсунками, содержащих высоковольтные модули зажигания с термопарами и электронным блоком управления, электрически связанный с датчиками частоты вращения коленчатого вала, углового положения распределительного вала и детонации, размещенных в корпусе в непосредственной близости от маховика, распределительного вала и рабочих цилиндров соответственно, электроуправляемой дроссельной заслонкой и датчиком расхода воздуха, установленные в воздухоподводящей линии, газовые электромагнитные форсунки, высоковольтными модулями зажигания и с термопарой, система дополнительно оснащена перепускным электромагнитным клапаном, установленным на первой ступени по меньшей мере двухступенчатого редуктора низкого давления, трубопроводом повышенного давления, соединенным с одной стороны через перепускной электромагнитный клапан с первой ступенью по меньшей мере двухступенчатого редуктора низкого давления, а с другой стороны через трехходовой регулировочный клапан с газовой магистралью, дополнительно оснащенной датчиками давления и температуры газа, причем перепускной электромагнитный клапан, трехходовой регулировочный клапан, датчики давления и температуры газа электрически связаны с электронным блоком управления, [патент РФ №2520787, МПК F02D 19/02, F02M 21/02, опуб. 20.02.2013, авторы Хрящев Ю.Е. и др., "Система управления газопоршневым двигателем"]
Недостатками этой системы управления газопоршневым двигателем является отсутствие контроля расхода топлива и воздуха.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является повышение надежности и точности управления газопоршневым двигателем и снижение расхода топлива, за счет регулирования коэффициента избытка воздуха и рекуперации тепла. Система управления газопоршневым двигателем, содержащим корпус, в котором установлены коленчатый вал с маховиком, распределительный вал, рабочие цилиндры с подсоединенными к ним впускным и выпускным коллекторами, а также воздухоподводящую линию, соединенную с впускным коллектором, состоящая из по меньшей мере двухступенчатого редуктора низкого давления, последняя ступень которого соединена посредством трубопровода низкого давления с газовой магистралью, оснащенной газовыми электромагнитными форсунками, нижняя часть каждой из которых размещена во впускном коллекторе в непосредственной близости от рабочих цилиндров, содержащих высоковольтные модули зажигания и соединенных с выпускным коллектором, в котором расположена по крайней мере одна термопара, и из электронного блока управления, электрически связанного с датчиками частоты вращения коленчатого вала, углового положения распределительного вала, детонации и расхода топлива размещенных в корпусе в непосредственной близости от маховика, распределительного вала и рабочих цилиндров соответственно, электроуправляемой дроссельной заслонкой и датчиком расхода воздуха, установленных в воздухоподводящей линии, газовыми электромагнитными форсунками, высоковольтными модулями зажигания и термопарой, система оснащена перепускным электромагнитным клапаном, установленным на первой ступени по меньшей мере двухступенчатого редуктора низкого давления, трубопроводом повышенного давления, соединенным с одной стороны через перепускной электромагнитный клапан с первой ступенью по меньшей мере двухступенчатого редуктора низкого давления, а с другой стороны через трехходовой регулировочный клапан с газовой магистралью, дополнительно оснащенной датчиками давления и температуры газа,
причем перепускной электромагнитный клапан, трехходовой регулировочный клапан, датчики давления и температуры газа электрически связаны с электронным блоком управления, при этом дополнительно введены в систему блок измерения, два регулятора, один из которых расположен на газовой магистрали, второй на входе в воздушный ресивер, датчик расхода газа, который установлен на входе в воздушный ресивер, датчики температуры и давления, которые расположены на воздухоподающей линии после дроссельной заслонки и теплообменного рекуператора, причем все датчики соединены через блок измерения с блоком управления.
Введение в систему управления газопоршневого двигателя датчика расхода газа и воздуха на газовой магистрали и их управления, на воздухоподводящей линии позволяет достичь точность и надежность управления двигателем, т.е. получить более экономичную систему управления газопоршневым двигателем.
На фиг. представлена схема системы управления газопоршневым двигателем.
Система управления газопоршневым двигателем состоит из: корпус - 1; рабочие цилиндры - 2; впускной коллектор - 3; выпускной коллектор - 4; воздухопроводящая линия - 5; газопроводящая линия - 6; двухступенчатый редуктор - 7 (7а - первая ступень, 7б - вторая ступень); трубопровод низкого давления - 8; трехходовой регулировочный клапан - 9; газовая магистраль - 10; электромагнитный клапан - 11; трубопровод повышенного давления - 12; датчик давления газа - 13; датчик температуры газа - 14; газовые электромагнитные форсунки - 15; высоковольтные модули зажигания - 16; термопары - 17; электронный блок управления - 18; датчик частоты вращения коленчатого вала - 19; датчик углового положения коленчатого вала - 20; датчик детонации - 21; дроссельная заслонка - 22; датчик расхода воздуха - 23; датчик расхода газа - 24; датчики давления и температуры воздуха - 25; 26; теплообменник рекуператора - 27; регулятор общего расхода газа - 28; регулятор расхода газа - 29; блок измерения - 30.
Система управления газопоршневым двигателем работает следующим образом.
В корпус газопоршневого двигателя - 1, газ подается по газоподводящей линии 6 в двухступенчатый редуктор 7 низкого давления, во второй ступени 76 которого давление газа понижается до рабочего значения, заданного регулировочным клапаном 9, после чего газ подается из второй ступени 76 двухступенчатого редуктора 7 низкого давления в трубопровод низкого давления 8, по которому, пройдя через трехходовой регулировочный клапан 9, поступает в газовую магистраль 10. Посредством датчиков давления 13 и температуры 14 газа, и датчика расхода газа 24 из газовой магистрали 10 с помощью газовых электромагнитных форсунок 15 газ подается во впускной коллектор 3, туда же по воздухоподводящей линии 5 поступает воздух, количество которого регулируется посредством электроуправляемой дроссельной заслонки 22 на основании измерений с помощью датчика расхода воздуха 23, и установленным блоком управления температурным давлением. Во впускном коллекторе 3 газ и воздух смешиваются, образуя газовоздушную смесь, засасывающуюся в рабочие цилиндры 2, воспламеняющуюся под воздействием высоковольтных модулей зажигания 16 и совершающую полезную работу. В результате образуются отработавшие газы, вытесняемые в выпускной коллектор 4, в котором посредством термопары 17 измеряется температура отработавших газов с целью предотвращения перегрева рабочих цилиндров 2, а также газы из выпускного коллектора 4 проходят через теплообменник температурным давлением 25, где часть отработавших газов частично выходит в атмосферу, а часть направлена в впускной коллектор 3, и этим достигается уменьшение расхода воздуха и топлива. Распределенное дозирование газа по рабочим цилиндрам 2 осуществляется через газовые электромагнитные форсунки 15, подача воздуха во впускной коллектор 3 - через электроуправляемую дроссельную заслонку 22, воспламенение газовоздушной смеси в рабочих цилиндрах 2 - высоковольтными модулями зажигания 16, по команде электронного блока управления 18, и выработанной на основании анализа состояния газопоршневого двигателя 1, проводимого путем постоянного опроса датчиков частоты вращения коленчатого вала 19, углового положения распределительного вала 20, детонации 21, давления 13 и температуры 14 газа, расхода воздуха 23 и термопары 17. Кроме того, по показаниям датчиков частоты вращения коленчатого вала 19, детонации 21 и термопары 17 прогнозируется аварийное состояние газопоршневого двигателя 1, и по команде электронного блока управления 18 уменьшается величина подачи газа и воздуха вплоть до полного ее прекращения.
Если для поддержания необходимого нагрузочно-скоростного режима газопоршневого двигателя 1 не хватает количества поступающего газа, в связи с низкой теплотворной способностью газа, иными словами, на режимах вблизи внешней скоростной характеристики и режимах холодного пуска, то осуществляется корректировка рабочего значения давления газа и устанавливается новая величина, а затем подается управляющий сигнал к дополнительно установленному на первой ступени 7а двухступенчатого редуктора 7 низкого давления перепускному электромагнитному клапану 11. С его помощью газ повышенного давления отводится от первой ступени 7а двухступенчатого редуктора 7 низкого давления в трубопровод повышенного давления 12, далее через трехходовой регулировочный клапан 9 в газовую магистраль 10, где посредством датчиков давления 13 и температуры газа 14 осуществляется контроль рабочего значения давления и температуры газа повышенного давления соответственно, а оттуда газ повышенного давления подается через газовые электромагнитные форсунки 15 во впускной коллектор 3. Таким образом, через газовые электромагнитные форсунки 15 во впускной коллектор 3 подается уже измененное количество газа повышенного давления, туда же по воздухоподводящей линии 5 засасывается воздух, количество которого регулируется поворотом электроуправляемой дроссельной заслонки 22. Во впускном коллекторе 3 газ повышенного давления и воздух смешиваются, образуя газовоздушную смесь повышенного давления, засасывающуюся в рабочие цилиндры 2 и воспламеняющуюся под воздействием высоковольтных модулей зажигания 16 по откорректированному значению момента их срабатывания. На газовой магистрали дополнительно установлен расходомер газа 24, также на воздухоподводящей линии 5 установлены датчики давления и температуры воздуха 25, 26 и теплообменник рекуператора температурным давлением, для уменьшения расхода топлива за счет рекуперации тепла. На газовой магистрали после 3-ходового крана установлен регулятор общего расхода газа 28, которые направляются в блок измерения, а также регулятор расхода газа, поступающий в воздушный ресивер 29.
С помощью данной системы управления газопоршневым двигателем может осуществляться эффективная работа газопоршневого двигателя на режимах вблизи внешней скоростной характеристики при использовании газа или же смеси горючих газов различной теплотворной способности и улучшен холодный пуск газопоршневого двигателя, так как конструкция системы позволяет управлять не только составом газовоздушной смеси и моментом срабатывания высоковольтных модулей зажигания, но также рабочим значением давления газа.
Предлагаемая система управления газопоршневого двигателя обеспечивает возможность уменьшения расхода топлива на 5-10% посредством рекуперации тепла.