СПОСОБ И СИСТЕМА ВПРЫСКА ТОПЛИВА В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ
METHOD AND SYSTEM FOR INJECTING FUEL INTO ENGINE COMBUSTION CHAMBER

Область техники
Настоящее изобретение относится к впрыску топлива в камеру сгорания двигателя, в частности, авиационного двигателя.
В частности, оно относится к питанию топливом форсунок камеры сгорания с обеспечением низкой степени выброса оксидов азота Nox.
Уровень техники
Чтобы снизить степень загрязняющих выбросов, в частности, оксидов азота Nox, топливо впрыскивают в камеру сгорания при помощи двух контуров впрыска. Контур, называемый контрольным контуром, имеет постоянный расход, оптимизированный для режимов малого газа. Контур, называемый главным контуром, имеет неравномерный расход, оптимизированный для высокооборотных режимов. Он дополняет расход топлива, в частности, для обеспечения достижения мощности, необходимой на взлете. Главный контур используют не постоянно, а только когда возникает потребность в дополнительной тяге двигателя, и его расход может быть на некоторых режимах нулевым или очень низким.
Не постоянная работа главного контура в сочетании с повышенными температурами в двигателе приводит к нежелательному разложению или к коксованию топлива, застаивающегося в главном контуре, когда расход топлива в нем является очень низким или отсутствует.
В документах ЕР 1770333 и ЕР 2026002, поданных на имя заявителя, раскрыты многоканальные форсунки с двумя топливными контурами этого типа.
Для устранения риска коксования топлива в главном контуре, как известно, главный контур продувают, когда его не используют.
Однако когда главный контур опять используют после продувки, работа контрольного контура и всей системы впрыска топлива может нарушаться. Действительно, система питания, которая содержит устройство регулирования, управляющее дозатором топлива и вентилем распределения топлива между двумя контурами, открывает распределительный вентиль в положении, заданном устройством регулирования и соответствующем необходимому режиму. Часть расхода топлива используют при этом для заполнения главного контура, и в этот момент оно не попадает в камеру сгорания.
Это создает временное снижение подачи топлива во время фазы заполнения главного контура, задержку реагирования этого контура и риск превышения необходимого режима в конце заполнения главного контура.
Раскрытие изобретения
Изобретение призвано решить проблему известных решений и предложить систему впрыска топлива в камеру сгорания двигателя, содержащую два топливных контура, в том числе один контур с постоянным расходом и другой контур с неравномерным расходом, устройства дозировки и распределения топлива между двумя контурами и средство управления этими устройствами, при этом контур с неравномерным расходом выполнен с возможностью продувки,
отличающуюся тем, что по получении команды на заполнение топливом контуров после продувки контура с неравномерным расходом средство управления
- подает команду на устройства дозировки и распределения для получения заранее определенного расхода топлива, превышающего расход, соответствующий команде на заполнение, и для подачи получаемого в результате избытка топлива в контур с неравномерным расходом в течение заранее определенного времени.
Благодаря изобретению, расход топлива, впрыскиваемый в камеру сгорания, остается соответствующим расходу, ожидаемому для нормальной работы, в частности, когда нет неполной подачи топлива, связанной с заполнением контура с неравномерным расходом.
Это позволяет избегать задержки реагирования контура с неравномерным расходом или превышения необходимого режима в конце заполнения контура с неравномерным расходом.
Согласно первому варианту выполнения изобретения, устройства дозировки и распределения содержат топливный дозатор и вентиль распределения топлива, при этом дозатор позволяет регулировать расход топлива, подаваемый в контуры с неравномерным расходом и с постоянным расходом, и распределительный вентиль позволяет распределять топливо между контуром с неравномерным расходом и контуром с постоянным расходом. Дозатор и распределительный вентиль соединены последовательно между топливным насосом и контурами впрыска.
Согласно второму варианту выполнения изобретения, устройства дозировки и распределения содержат топливный дозатор для контура с постоянным расходом и топливный дозатор для контура с неравномерным расходом. Два дозатора соединены параллельно между топливным насосом и контурами впрыска и обеспечивают одновременно дозировку топлива для каждого из контуров и распределение топлива между двумя контурами.
Согласно варианту, система впрыска топлива отличается также тем, что при получении заданного значения для заполнения топливом контуров после продувки контура с неравномерным расходом средство управления
- сравнивает полученное заданное значение с заданным порогом и, если заданное значение превышает заданный порог,
- подает команду на устройства дозировки и распределения для заполнения контура с неравномерным расходом, прежде чем будет достигнут порог тяги двигателя, соответствующий заранее определенному распределению топлива между контуром с постоянным расходом и контуром с неравномерным расходом.
Изобретение обеспечивает надежное решение, чтобы время заполнения топливом контура с неравномерным расходом не влияло на ускорение двигателя.
Изобретение позволяет предварить потребность в использовании контура с неравномерным расходом, избегая при этом его заполнения топливом, когда в этом нет необходимости.
Таким образом, контур с неравномерным расходом остается продутым максимально долго, что уменьшает риск коксования застаивающегося топлива.
Согласно предпочтительному отличительному признаку, средство управления выполнено с возможностью определения, для данной точки области полета, заданного порога в зависимости от порога тяги двигателя.
Согласно предпочтительному отличительному признаку, средство управления выполнено с возможностью определения порога тяги двигателя как точки тяги, начиная от которой используют контур с неравномерным расходом.
Согласно предпочтительному отличительному признаку, средство управления выполнено с возможностью определения заданного значения в зависимости от положения рычага управления газом, приводимого в действие пользователем.
Объектом изобретения является также способ впрыска топлива в камеру сгорания двигателя при помощи системы впрыска топлива в камеру сгорания двигателя, содержащей два топливных контура, один с постоянным расходом и другой с неравномерным расходом, устройства дозировки и распределения топлива между двумя контурами и средство управления этими устройствами, при этом контур с неравномерным расходом выполнен с возможностью продувки,
отличающийся тем, что по получении команды на заполнение топливом контуров после продувки контура с неравномерным расходом содержит этап, на котором
- подают команду на устройства дозировки и распределения для получения заранее определенного расхода топлива, превышающего расход, соответствующий команде на заполнение, и для подачи получаемого в результате избытка топлива в контур с неравномерным расходом в течение заранее определенного времени.
Согласно варианту, способ впрыска топлива отличается тем, что при получении заданного значения для заполнения топливом контуров после продувки контура с неравномерным расходом содержит этапы, на которых:
- сравнивают полученное заданное значение с заданным порогом и, если заданное значение превышает заданный порог,
- подают команду на устройства дозировки и распределения для заполнения контура с неравномерным расходом, прежде чем будет достигнут порог тяги двигателя, соответствующий заранее определенному распределению топлива между контуром с постоянным расходом и контуром с неравномерным расходом.
Способ имеет преимущества, аналогичные вышеупомянутым преимуществам.
В частности варианте осуществления этапы заявленного способа осуществляют при помощи команд компьютерной программы.
Следовательно, объектом изобретения является также компьютерная программа на носителе информации, причем эта программа выполнена с возможностью применения на компьютере и содержит команды, предназначенные для осуществления этапов описанного выше способа.
Эта программа может использовать любой язык программирования и может представлять собой код источника, код объекта или промежуточный код между кодом источника и кодом объекта, например, в компилированной форме или в любой другой необходимой форме.
Объектом изобретения является также носитель информации, считываемый компьютером и содержащий команды компьютерной программы, предназначенные для осуществления этапов описанного выше способа.
Носитель информации может быть любым средством или устройством, выполненным с возможностью записи программы. Например, носитель может содержать средство записи, такое как ROM, например, CD ROM, или ROM микроэлектронной схемы, или магнитное средство записи, например, дискету или жесткий диск.
С другой стороны, носитель информации может быть передаваемым носителем, таким как электрический или оптический сигнал, который можно передавать через электрический или оптический кабель, по радио или при помощи других средств. В частности, программу в соответствии с изобретением можно загружать дистанционно через сеть типа Интернет.
В альтернативном варианте носитель информации может представлять собой интегральную схему, в которую включена программа, при этом схема выполнена с возможностью исполнения или использования для осуществления заявленного способа.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания двух предпочтительных вариантов выполнения, представленных в качестве не ограничительных примеров и описанных со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схема системы впрыска топлива в камеру сгорания двигателя согласно первому варианту выполнения.
Фиг. 2 - схема системы впрыска топлива в камеру сгорания двигателя согласно второму варианту выполнения.
Фиг. 3 - способ впрыска топлива в камеру сгорания двигателя согласно варианту выполнения изобретения.
Фиг. 4a-4f - расходы топлива в разных точках системы и распределение топлива между контурами впрыска в соответствии с изобретением.
Фиг. 5 - другой способ впрыска топлива в камеру сгорания двигателя согласно версии выполнения изобретения.
Фиг. 6 - пример расхода топлива, связанный со способом, представленным на фиг. 5, в соответствии с изобретением.
Фиг. 7 - пример заданного значения и режима двигателя, связанный со способом, представленным на фиг. 5, в соответствии с изобретением.
Осуществление изобретения
Согласно первому предпочтительному варианту выполнения изобретения, представленному на фиг. 1, изобретение применяют для системы впрыска топлива в камеру сгорания двигателя. В частности, речь идет о двигателе летательного аппарата.
Будут показаны и описаны только элементы, необходимые для понимания изобретения.
Система впрыска содержит два контура впрыска топлива в не показанную камеру сгорания.
Первый контур 1 впрыска топлива, называемый контрольным контуром или контуром малого газа, имеет ограниченный и постоянный расход. Он содержит набор форсунок, символически показанных стрелками.
Второй контур 2 впрыска топлива, называемый главным контуром, выполнен с возможностью дополнения расхода топлива до режима полного газа. В частности, он позволяет достигать всей мощности, необходимой на взлете. Этот контур тоже содержит набор форсунок, символически показанных стрелками, но его используют непостоянно, следовательно, его расход является неравномерным и может быть нулевым или очень низким на некоторых режимах.
Возможность использования двух контуров впрыска топлива, один из которых используют не постоянно, обеспечивает лучшую однородность смеси воздух/топливо и, следовательно, лучшее сгорание. Это позволяет снизить выбросы загрязняющих веществ и, в частности, оксидов азота.
Электронное устройство 3 регулирования, называемое FADEC от английского "Full Authority Digital Engine Control", управляет устройством 4 дозировки топлива, которое определяет расход топлива, поступающий в два контура 1 и 2 впрыска.
Устройство 3 регулирования управляет также устройством 5 распределения топлива между двумя контурами 1 и 2 впрыска.
Так, согласно этому варианту выполнения, устройство 4 дозировки является дозатором, который задает расход топлива, подаваемый в оба контура впрыска. Устройство 5 распределения является распределительным вентилем, который распределяет топливо между двумя контурами впрыска. Дозатор 4 и вентиль 5 соединены последовательно между не показанным топливным насосом и двумя контурами 1 и 2 впрыска. Таким образом, сначала происходит общая дозировка топлива для обоих контуров, затем распределение топлива между двумя контурами.
На фиг. 2 представлен второй вариант выполнения системы впрыска топлива. Этот второй вариант отличается от первого своими устройствами дозировки и распределения топлива.
Система впрыска содержит два контура 1 и 2 впрыска топлива, аналогичные описанным выше. Она тоже содержит устройство 3 регулирования, аналогичное вышеупомянутому устройству. Она содержит устройства 6 и 7 дозировки и распределения топлива между двумя контурами 1 и 2.
В этом варианте выполнения устройство дозировки и устройство распределения являются двумя дозаторами 6 и 7, управляемыми устройством 3 регулирования.
Так, дозаторы 6 и 7 соединены параллельно между не показанным топливным насосом и контурами 1 и 2 впрыска соответственно. Каждый дозатор 6, 7 задает расход топлива, подаваемый в соответствующий контур 1, 2 впрыска, а соотношение расходов топлива, подаваемых в контуры впрыска, зависит от распределения между контурами впрыска. Таким образом, каждый дозатор является устройством дозировки и распределения топлива.
Чтобы избегать коксования топлива в форсунках главного контура, когда они не впрыскивают топливо в камеру сгорания, главный контур 2 продувают. Этой продувкой управляет электронное устройство 3 регулирования, и ее можно осуществлять разными способами.
Согласно не показанным версиям, оба варианта выполнения системы впрыска топлива могут содержать более двух контуров впрыска. Во всех случаях продувку производят по меньшей мере для одного контура впрыска топлива.
На фиг. 3 представлен способ впрыска топлива в камеру сгорания двигателя, применяемый в первом варианте выполнения описанного выше устройства, в частности, в электронном устройстве 3 регулирования. Способ содержит этапы Е1-Е3.
Этап Е1 представляет собой получение команды на заполнение топливом контуров впрыска после продувки контура с неравномерным расходом. Предполагается, что команда заполнения подается в момент Т1.
На фиг. 4а представлен пример полного расхода D1 топлива, подаваемого в камеру сгорания через контуры впрыска, в зависимости от времени, соответствующего полученной команде заполнения. Общий расход топлива, подаваемый в камеру сгорания, равен первому значению D11, относительно низкому до момента Т1, затем он увеличивается до второго значения D12, превышающего первое, между моментами Т1 и Т3. Затем расход D1 остается равным второму значению D12. Например, значение D11 равно 750 кг/ч, значение D12 равно 3000 кг/ч, и время Т3-Т1 равно 7 секундам.
Следующий этап Е2 представляет собой подачу команды в устройства 4 и 5 дозировки и распределения для получения на выходе устройства 4 дозировки заранее определенного расхода топлива D2, который превышает расход D1, соответствующий команде на заполнение, в течение заранее определенного времени, и для подачи получаемого в результате избытка топлива в контур 2 с неравномерным расходом в течение заранее определенного времени. Этот избыток топлива, соответствующий разности расходов D2-D1, служит для заполнения главного контура 2.
На фиг. 4b представлен расход топлива D2, выдаваемый дозатором 4, в зависимости от времени. Между моментами Т1 и Т2 расход топлива, выдаваемый дозатором, превышает общий расход топлива D1, поступающий в камеру сгорания через контуры впрыска и показанный на фиг. 4а. Так, между моментами Т1 и Т2 расход топлива D2 достигает максимального значения D21, превышающего значение расхода D1. Момент Т1 является моментом, когда подают команду заполнения, как было указано выше, и момент Т2 является моментом, когда главный контур 2 заполнен топливом. Момент Т2 предшествует моменту Т3. Например, время Т2-Т1 равно 4 секундам, и значение расхода D21 равно 4500 кг/ч.
На фиг. 4с показано распределение топлива, предназначенного для главного контура 2, в зависимости от времени. Это распределение определяется распределительным вентилем 5 и показано в процентах.
Между моментами Т1 и Т2 распределение топлива быстро увеличивается примерно до 80% для главного контура 2, затем уменьшается до значения, близкого к нулю. Это распределение позволяет заполнить главный контур при помощи избытка топлива, выдаваемого дозатором 4.
Время (Т2-Т1), значение расхода D2 между моментами Т1 и Т2, а также распределение между двумя контурами впрыска топлива между этими двумя моментами определены заранее. Эти величины зависят от конструкции главного контура 2, в частности, от заполняемого топливом объема.
Таким образом, главный контур 2 заполняется топливом, благодаря комбинации избытка топлива на выходе дозатора 4 и одновременного распределения, осуществляемого распределительным вентилем 5, который направляет избыток топлива в главный контур 2. Расход топлива, обеспечивающий заполнение главного контура, представляет собой разность между расходом D2, выдаваемым дозатором, и расходом D1, подаваемым в камеру сгорания.
На фиг. 4d представлена кривая заполнения топливом главного контура 2, выраженная в процентах объема главного контура, в зависимости от времени.
Начиная с момента Т2, главный контур 2 заполнен топливом. В этот момент этап Е3 представляет собой возврат к классическому режиму регулирования, при котором расход топлива D2 на выходе дозатора 4 равен расходу топлива D1, подаваемому в камеру сгорания, и при котором распределительный вентиль 5 установлен таким образом, чтобы расход D3, выдаваемый главным контуром 2, постепенно увеличивался.
На фиг 4е показан расход топлива D3, выдаваемый главным контуром 2, в зависимости от времени, а на фиг. 4f показан расход топлива D4, выдаваемый контрольным контуром 1, в зависимости от времени. Расход D4 в контрольном контуре равен общему расходу D1 между моментами Т1 и Т2, затем он остается в значении горизонтального участка кривой, после чего снижается до низкого значения. Расход D3 является нулевым до момента Т2, затем увеличивается. В каждый момент расход D1 равен сумме расходов D3 и D4.
Во втором варианте выполнения оба контура впрыска топлива получают питание параллельно. Общий расход топлива, подаваемый в камеру сгорания, идентичен общему расходу D1, показанному на фиг. 4а. Расход топлива, выдаваемый контрольным контуром 1, идентичен расходу D4, показанному на фиг. 4f.
Расход топлива, подаваемый в главный контур 2, равен разности между расходом D2 (фиг. 4b) и расходом D1 (фиг. 4а) между моментами Т1 и Т2, затем он равен расходу D3 (фиг. 4е), начиная с момента Т2.
На фиг. 5 представлен другой способ впрыска топлива в камеру сгорания двигателя, применяемый в описанном выше варианте выполнения системы, в частности, в электронном устройстве 3 регулирования. Способ содержит этапы E11-Е14.
Этап Е11 представляет собой получение заданного значения заполнения топливом контуров впрыска после продувки контура 2 с неравномерным расходом. Предполагается, что заданное значение заполнения поступает в момент T11.
Заданное значение заполнения топливом контуров впрыска соответствует заданному значению тяги двигателя, которое определяется положением рычага газа, приводимого в действие пользователем.
На фиг. 6 представлен пример общего расхода топлива D(t), подаваемого в камеру сгорания через контуры 1 и 2 впрыска, в зависимости от времени, что соответствует полученному заданному значению заполнения. Общий расход топлива, подаваемый в камеру сгорания, равен первому относительно низкому значению D11 до момента Т11, в который поступило заданное значение заполнения топливом контуров впрыска, затем он увеличивается до второго значения D12, превышающего первое, между моментами Т11 и Т14. Затем расход D(t) остается равным второму значению D12. Например, значение D11 равно 750 кг/ч, значение D12 равно 3000 кг/ч, и время Т14-Т11 равно 7 секундам.
На этой кривой определен порог А11 общего расхода топлива. Порог А11 является расходом, соответствующим заранее определенному распределению топлива между контуром с постоянным расходом и контуром с неравномерным расходом. Порог А11 расхода соответствует порогу тяги двигателя.
Предпочтительно порог А11 расхода является расходом, начиная с которого используют контур с неравномерным расходом. Для расхода топлива, меньшего или равного порогу расхода, то есть для тяги двигателя, меньшей или равной порогу тяги двигателя, задействован только контур 1 с постоянным расходом. Начиная от порога расхода, то есть от порога тяги, начинают использовать также контур 2 с неравномерным расходом.
Порог A11 расхода достигается в момент Т12.
Следует отметить, что точка тяги, соответствующая порогу А11 расхода, находится на промежуточном уровне между тягой малого газа и тягой взлета.
В варианте порог расхода, то есть порог тяги двигателя, выбирают таким образом, чтобы он соответствовал другому заранее определенному распределению топлива между контуром с постоянным расходом и контуром с неравномерным расходом. Во всех случаях это другое распределение зависит от использования контура с неравномерным расходом.
Расход А12 является максимальным расходом, который может поступать в контур с постоянным расходом. Расход А12 достигается в момент Т13, превышающий момент Т12. Время (Т13-Т12) равно, например, 0.6 секунды.
В известном решении предварительно продутый контур с неравномерным расходом остается пустым до момента Т12, в который его начинают задействовать. Контур с неравномерным расходом необходимо сначала заполнить, прежде чем он сможет выдавать топливо в камеру сгорания. Однако заполнение контура с неравномерным расходом длится минимальное время, которое превышает время (Т13-Т12). Например, время заполнения контура с неравномерным расходом составляет 2 секунды. Контур с неравномерным расходом становится функциональным только после его заполнения топливом.
Таким образом, в известном решении существует промежуток времени, начиная с момента Т13, в течение которого расход топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, ограничен значением А12, достигнутым в этот момент.
Этап Е12 представляет собой определение заданного порога В электронным устройством 3 регулирования.
Для данной точки области полета заданный порог определяют в зависимости от порога тяги двигателя, то есть от порога А11 расхода, соответствующего заранее определенному распределению топлива между контуром с постоянным расходом и контуром с неравномерным расходом. Можно напомнить, что порог А11 расхода предпочтительно является расходом, начиная от которого используют контур с неравномерным расходом.
В данной точке области полета заданный порог является заданным значением, позволяющим достигнуть значения тяги, равного порогу тяги.
Заданный порог В меняется в зависимости от точки области полета летательного аппарата, поэтому устройство 3 регулирования его вычисляет постоянно.
За этапом E11 следует этап Е13, который представляет собой сравнение полученного заданного значения с текущим заданным порогом В, полученным на этапе Е12.
Если полученное заданное значение меньше заданного порога В, то электронное устройство 3 регулирования классически управляет дозатором и распределительным вентилем.
Если полученное заданное значение превышает заданный порог В, то после этапа Е13 следует этап Е14, на котором подают команду в устройства 4, 5 дозировки и распределения для заполнения контура 2 с неравномерным расходом до того, как будет достигнут порог точки тяги. Иначе говоря, прохождение порога тяги двигателя, то есть порога расхода А11, упреждается. Таким образом, контур с неравномерным расходом заполняется заранее по отношению к моменту его действительного использования.
Таким образом, заполнение контура с неравномерным расходом начинается в момент T11 или, в варианте, в момент между моментами T11 и (T11-DR), где DR является временем заполнения контура 2 с неравномерным расходом, таким образом, чтобы контур с неравномерным расходом был заполнен и был готов подавать топливо в камеру сгорания в момент Т12, когда его начинают задействовать.
На фиг. 7 представлен режим двигателя и применяемое заданное значение, соответствующее примеру на фиг. 6, в зависимости от времени. Режим двигателя пропорционален тяге двигателя.
В момент T11 рычаг газа перемещают, чтобы передать заданное значение. Кривая C(t) заданного значения равна первому значению С11 до момента Т11, затем в этот момент принимает второе значение С12. Значение С12 превышает заданное значение В.
Режим двигателя равен относительно низкому первому значению R11 до момента T11, в который получают заданное значение заполнения топлива контуров впрыска, затем он увеличивается до второго значения R12, превышающего первое, между моментами T11 и Т14. Затем режим двигателя остается равным второму значению R12. Например, значение R11 равно 2000 об/мин, значение R12 равно 7000 об/мин, и время Т14-Т11 равно 7 секундам.