СИСТЕМА ПИТАНИЯ ВОДОРОДОМ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE HYDROGEN FEED SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к системам подачи водорода в двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием.
Один из путей повышения экономичности ДВС - обеспечение его работы на обедненных смесях. Повышение эффективности воспламенения обедненных топливовоздушных смесей возможно за счет дополнительной подачи микродоз водорода в область межэлектродного зазора свечи зажигания непосредственно перед искровым разрядом.
Известна система питания водородом двигателя внутреннего сгорания (авторское свидетельство СССР №1625088, МКИ F02B 43/08). Она содержит последовательно сообщенные друг с другом трубопроводом источник водорода, электромагнитный клапан (ЭМК) с блоком управления и свечу зажигания с каналом для подачи водорода в межэлектродный зазор, систему зажигания, соединенную с высоковольтным электродом свечи, элемент задержки электрических импульсов, выход которого подключен ко входу системы зажигания, генератор запускающих импульсов, выход которого подключен ко входам элемента задержки и блока управления, а также установленные на двигателе датчики нагрузки, частоты вращения и положения коленчатого вала ДВС. В необходимый момент времени, соответствующий режиму работы ДВС, генератор одновременно подает сигнал на элемент задержки и блок управления ЭМК, и порция водорода поступает в межэлектродный зазор. Через определенный промежуток времени, необходимый для проникновения водорода в слои смеси, прилегающие к электродам свечи, сигнал с элемента задержки поступает на систему зажигания, которая формирует на свече искровой разряд. Вследствие оптимального содержания в этот момент водорода в зоне свечи воспламенение происходит быстро и эффективно.
Недостатком такой системы является постоянство давления водорода на входе в электромагнитный клапан на всех режимах работы, в то время как соотношение давления подаваемого водорода и давления в камере сгорания для каждого режима должно устанавливаться индивидуально. Это несоответствие приводит к тому, что на ряде режимов работы разница давлений на входе и на выходе ЭМК слишком велика. В результате при дозировании малых цикловых подач водорода достаточное его количество проходит через электромагнитный клапан еще до того, как запорный элемент клапана совершит перемещение из одного крайнего положения в другое, т.е. требуемая продолжительность управляющего сигнала на электромагнитный клапан может быть меньше полного времени его срабатывания. При такой работе системы точное дозирование водорода затруднено, поскольку время срабатывания электромагнитного клапана является неуправляемой величиной. Это сопровождается повышенным расходом водорода.
Известна система питания водородом двигателя внутреннего сгорания (патент СССР №1828684, МКИ F02B 43/08, F02B 43/00, принята за прототип). Она содержит последовательно сообщенные друг с другом трубопроводом источник водорода, регулятор давления с блоком управления, ЭМК с блоком управления и свечу зажигания с каналом для подачи водорода в межэлектродный зазор, систему зажигания, соединенную с высоковольтным электродом свечи, элемент задержки электрических импульсов, выход которого подключен ко входу системы зажигания, генератор запускающих импульсов, выход которого подключен ко входам элемента задержки и блока управления, а также установленные на двигателе датчики нагрузки, частоты вращения и положения коленчатого вала ДВС. Блок управления регулятора давления на основании информации о нагрузке ДВС от датчика нагрузки подает сигнал на исполнительный орган регулятора давления, который устанавливает на входе в ЭМК давление водорода, на 5-10% превышающее давление в камере сгорания в момент искрового разряда. В необходимый момент времени, соответствующий режиму работы ДВС, генератор одновременно подает сигнал на элемент задержки и блок управления ЭМК, и порция водорода поступает в межэлектродный зазор. Через определенный промежуток времени, необходимый для диффузии водорода в слои смеси, прилегающие к электродам свечи, сигнал с элемента задержки поступает на систему зажигания, которая формирует на свече искровой разряд. Вследствие оптимального содержания в этот момент водорода в зоне свечи воспламенение происходит быстро и эффективно. Наличие регулятора давления в системе позволяет для каждого режима работы ДВС установить такое давление водорода, при котором минимально необходимая его подача обеспечивается управляющим сигналом, продолжительность которого превышает время срабатывания ЭМК. Это дает возможность обеспечить точное дозирование водорода и тем самым сократить его расход.
Недостатком такой системы является то, что управление регулятором давления водорода осуществляется по сигналам от датчика нагрузки. Принцип работы датчиков нагрузки основан на измерении либо разрежения во впускном трубопроводе, либо угла поворота дроссельной заслонки. Однако датчик разрежения во впускной системе не может дать непосредственной информации о величине давления в камере сгорания в момент подачи водорода, т.к. заряд, поступив из впускной системы в камеру сгорания, сжимается и имеет переменное давление, а момент подачи водорода от режима к режиму изменяется. Не может дать такой информации и датчик положения дроссельной заслонки, поскольку при одном и том же ее положении давление в камере сгорания зависит от скоростного режима работы двигателя. В то же время для каждого режима работы необходимо поддерживать рациональное соотношение давлений на входе в ЭМК (давление подаваемого водорода) и на его выходе (давление в камере сгорания в момент подачи водорода), в противном случае снижается точность дозирования водорода.
Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик путем повышения точности дозирования водорода.
Техническим результатом является сокращение расхода водорода.
Технический результат достигается тем, что система питания водородом двигателя внутреннего сгорания, содержащая источник водорода высокого давления, регулятор давления с блоком управления, электромагнитный клапан с блоком управления, искровую свечу зажигания, систему зажигания, генератор запускающих импульсов и элемент их задержки, датчики нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, дополнительно снабжена датчиком давления газов в камере сгорания и датчиком давления подаваемого водорода, блок управления регулятора давления и блок управления электромагнитного клапана соединены с датчиком давления газов и датчиком давления водорода, а блок управления регулятора давления соединен с системой зажигания.
Существенным отличием предлагаемого изобретения является то, что система питания водородом двигателя внутреннего сгорания дополнительно снабжена датчиком давления газов в камере сгорания и датчиком давления подаваемого водорода, блок управления регулятора давления и блок управления электромагнитного клапана соединены с датчиком давления газов и датчиком давления водорода, а блок управления регулятора давления соединен с системой зажигания. Наличие в системе датчиков давления газов в камере сгорания и давления подаваемого водорода и связь их с блоком управления регулятора давления и блоком управления электромагнитного клапана позволяет использовать непосредственную информацию о давлениях водорода и газов в камере сгорания для формирования управляющих сигналов, подаваемых на регулятор давления и ЭМК. Связь блока управления регулятора давления с системой зажигания дает возможность фиксировать давление в камере сгорания именно в момент создания на свече искрового разряда и тем самым определять точное соотношение давлений для формирования управляющего сигнала на ЭМК.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:
на фиг.1 - функциональная схема предложенной системы;
на фиг.2 - функциональная схема блока управления регулятора давления;
на фиг.3 - функциональная схема блока управления ЭМК.
Система содержит следующие элементы (фиг.1): последовательно сообщенные друг с другом трубопроводом источник 1 водорода высокого давления, регулятор 2 давления с блоком 3 управления, электромагнитный клапан 4 с блоком 5 управления и искровую свечу 6 зажигания, установленную в камере сгорания ДВС и имеющую канал для подачи водорода в межэлектродный зазор (на чертеже не показаны); систему 7 зажигания для подачи импульсов высокого напряжения на высоковольтный электрод свечи 6, связанную с блоком 3 управления; элемент 8 задержки электрических импульсов, выход которого соединен со входом системы 7 зажигания; генератор 9 запускающих импульсов, выход которого подключен одновременно ко входу блока 5 управления ЭМК и ко входу элемента 8 задержки; установленные на двигателе датчик 10 нагрузки, связанный с генератором 9 запускающих импульсов и элементом 8 задержки, датчик 11 частоты вращения коленчатого вала, связанный с блоком 5 управления, генератором 9 запускающих импульсов и элементом 8 задержки, и датчик 12 положения коленчатого вала, связанный с генератором 9 запускающих импульсов и предназначенный для синхронизации работы генератора с вращением коленчатого вала ДВС, а также связанные с блоками 3 и 5 датчик 13 давления подаваемого водорода, установленный в трубопроводе перед ЭМК 4, и датчик 14 давления, установленный в камере сгорания ДВС.
Блок 3 управления (фиг.2) состоит из микропроцессора 15, соединенного с выходом системы 7 зажигания и вырабатывающего необходимый сигнал для управления регулятором 2 давления, аналого-цифровых преобразователей 16 и 17, соединенных с микропроцессором 15 и преобразующих аналоговые сигналы соответственно от датчиков 7 и 8 в цифровую форму, и цифроаналогового преобразователя 18, преобразующего сигнал от микропроцессора 15 из цифровой формы в аналоговую для подачи его на регулятор 2 давления.
Блок 5 управления (фиг.3) состоит из микропроцессора 19, соединенного с выходом генератора 9 запускающих импульсов и вырабатывающего необходимый сигнал для управления ЭМК 4, аналого-цифровых преобразователей 20, 21 и 22, соединенных с микропроцессором 19 и преобразующих аналоговые сигналы соответственно от датчиков 13, 14 и 11 в цифровую форму, и цифроаналогового преобразователя 23, преобразующего сигнал от микропроцессора 19 из цифровой формы в аналоговую для подачи его на ЭМК 4.
Система работает следующим образом.
В процессе работы двигателя информация о давлении в камере сгорания от датчика 14 и о давлении подаваемого водорода от датчика 13 постоянно поступает на блок 3 управления регулятора 2 давления. В момент подачи на высоковольтный электрод свечи 6 импульса высокого напряжения сигнал с системы 7 зажигания поступает на микропроцессор 15 блока 3 управления, и микропроцессор фиксирует величину давления в камере сгорания. Затем в соответствии с заданной программой микропроцессор вырабатывает необходимый сигнал и подает его на исполнительный орган (не показан) регулятора 2 давления. Регулятор устанавливает на входе в ЭМК 4 давление водорода, превышающее давление в камере сгорания в момент искрового разряда. При этом указанное превышение контролируется микропроцессором 15 по сигналу с датчика 13 и имеет такую величину, что минимально необходимая подача водорода обеспечивается управляющим сигналом, продолжительность которого превышает время срабатывания ЭМК.
При подходе поршня к верхней мертвой точке такта сжатия генератор 9 запускающих импульсов на основании информации о нагрузке и частоте вращения коленчатого вала ДВС от датчиков 10 и 11 и о положении коленчатого вала от датчика 12 в необходимый момент времени синхронно подает сигналы на блок 5 управления ЭМК и на элемент 8 задержки.
Блок 5 управления на основании информации от датчиков 11, 13 и 14 вырабатывает и подает на ЭМК 4 импульс напряжения, продолжительность которого в сочетании с соотношением давления водорода на входе в ЭМК и давления в камере сгорания определяет минимальную цикловую подачу водорода, необходимую для обогащения и надежного воспламенения смеси вблизи электродов свечи зажигания. Запорный элемент (не показан) ЭМК совершает перемещение из одного крайнего положения в другое, освобождая канал для подачи водорода, и через заданный регулируемый промежуток времени возвращается в первоначальное положение. Порция водорода строго определенной величины под давлением поступает через подводящий канал в свече 6 в область межэлектродного зазора.
Элемент 8 задержки с учетом информации о режиме работы ДВС от датчиков 10 и 11 формирует период задержки между поступлением сигнала от генератора 9 и подачей управляющего сигнала на систему 7 зажигания такой длительности, чтобы к моменту пробоя искрового промежутка водород достиг межэлектродного зазора свечи 6 и, продиффундировав, образовал в окрестности электродов смесь, которую легко можно воспламенить искрой. По истечении указанного интервала времени управляющий сигнал с элемента 8 задержки поступает на систему 7 зажигания, которая создает между электродами свечи 6 искровой разряд. Наличие в зоне разряда повышенной концентрации водорода способствует быстрому и стабильному воспламенению смеси в камере сгорания ДВС.