КОМПЛЕКТ КЛАПАНОВ ГАЗОВЫХ ФОРСУНОК, СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ КЛАПАНОВ ГАЗОВЫХ ФОРСУНОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ИНЖЕКТОРНОЙ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ТОПЛИВА
SET OF VALVES OF GAS NOZZLES, METHOD TO CONTROL OPERATION OF VALVES OF GAS NOZZLES, AND DEVICE TO CONTROL OPERATION OF INJECTOR SYSTEM OF FUEL SUPPLY

Настоящее изобретение относится к комплекту клапанов газовых форсунок, способу управления работой клапанов газовых форсунок и устройству для управления работой инжекторной системы подачи топлива.
Двигатели внутреннего сгорания, работающие на двух видах топлива, таких жидкое топливо и газообразное топливо, известны из уровня техники. Такие двигатели имеют средства для хранения запаса двух видов топлива, средства регулирования давления в топливной магистрали, средства впрыска топлива в цилиндр двигателя, средства управления компонентами системы впрыска.
Подобная инжекторная система подачи топлива раскрыта в публикации DE 102005012940.
Отличительной особенностью предлагаемого в изобретении комплекта клапанов газовых форсунок для впрыска газа в двигателе внутреннего сгорания, является то, что по меньшей мере один клапан газовой форсунки имеет внешний нагревательный элемент, а по меньшей мере один другой клапан газовой форсунки не имеет внешнего нагревательного элемента.
Предлагаемый в изобретении способ управления работой клапанов газовых форсунок двигателя внутреннего сгорания, работающего на газообразном и жидком топливах, отличается тем, что с помощью внешнего нагревательного элемента подогревают по меньшей мере один клапан газовой форсунки, подключенный к газовому распределителю и обеспечивающий впрыск газа в двигатель внутреннего сгорания, затем при закрытом запорном клапане между газовым баллоном и газовым распределителем и работе двигателя на жидком топливе открывают подогретый клапан газовой форсунки для впрыска газа из газового распределителя в двигатель внутреннего сгорания, пока давление в газовом распределителе не окажется ниже заданного значения, после чего, оставляя запорный клапан по-прежнему закрытым, клапаны газовых форсунок открывают, пока температура клапанов не достигнет заданного значения.
Предлагаемое в изобретении устройство для управления работой инжекторной системы подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном и жидком топливах, отличается тем, что оно содержит средства для определения ситуации пуска двигателя внутреннего сгорания, закрытия запорного клапана системы впрыска газообразного топлива и запуска двигателя внутреннего сгорания на жидком топливе с последующим управлением работой клапанов газовых форсунок двигателя внутреннего сгорания согласно охарактеризованному выше способу при удержании запорного клапана в закрытом состоянии.
Предлагаемые в изобретении комплект клапанов газовых форсунок, способ управления работой клапанов газовых форсунок и устройство для управления работой инжекторной системы подачи топлива, обладают преимуществом, заключающимся в обеспечении эффективной работы двигателя внутреннего сгорания, работающего на газообразном топливе за счет преодоления проблемы залипания клапанов газовых форсунок, особенно при пуске двигателя транспортного средства, преимущественно автомобиля, в условиях холодной погоды. При этом устраняются такие проблемы, обусловленные задержкой открытия клапанов газовых форсунок, как пропуски зажигания.
Для преодоления проблем залипания клапанов достаточно снабдить внешним нагревательным элементом только один из клапанов газовых форсунок, приходящихся на один газовый распределитель. Снабжать внешним нагревателем все клапаны газовых форсунок не требуется, что позволяет сократить число необходимых внешних нагревательных элементов, а также объем электропроводки, необходимой для клапанов газовых форсунок. Это дает прямое сокращение затрат на оборудование и его обслуживание.
Кроме того, промежуточное включение всех клапанов газовых форсунок на заданное время, когда двигатель автомобиля еще работает на жидком топливе, обеспечивает возможность быстрого подогрева всех клапанов, что уменьшает проблему залипания для всех клапанов. При этом не требуется использовать дополнительные внешние нагревательные элементы или дополнительную электропроводку.
Если не использовать настоящее изобретение, при холодном пуске двигателя внутреннего сгорания может пройти до 10 минут, пока клапаны газовых форсунок достигнут температуры, обеспечивающую их нормальную работу. Поскольку в течение этих 10 минут многие поездки успевают завершиться, такие автомобили ездят почти исключительно на жидком топливе, что не соответствует цели оснащения автомобиля двухтопливным двигателем, а также ведет к неэффективному использованию жидкого топлива, поскольку баки для жидкого топлива на таких автомобилях весьма невелики. Благодаря изобретению время, необходимое для того, чтобы двигатель начал нормально работать на газе, сокращается до нескольких секунд.
Другие достоинства и/или преимущества изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Если клапан газовой форсунки открывают, когда двигатель еще работает на жидком топливе, подачу жидкого топлива в цилиндр соответственно уменьшают для поддержания состава горючей смеси в диапазоне, необходимом для уменьшения содержания вредных выбросов в отработавших газах. Также исключаются нарушения процесса сгорания смеси.
Как только давление в газовом распределителе окажется ниже заданного значения, цилиндр с внешним нагревательным элементом переводят обратно на питание жидким топливом, чтобы подготовить двигатель к плавному переходу с жидкого топлива на газообразное.
Таким образом, по завершению описанных выше последовательностей действий, клапаны газовых форсунок готовы к нормальной работе, а автомобиль может переключиться на питание газом в течение короткого отрезка времени.
Для улучшения управления переводом клапанов топливных форсунок из открытого состояния в закрытое и обратно используются чувствительные элементы, выдающие точные результаты измерений давления и температуры. Достигается повышение полного к.п.д. двигателя внутреннего сгорания.
Осуществление изобретения в различных вариантах подробно поясняется ниже со ссылкой на чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схема двигателя внутреннего сгорания, содержащего топливные распределители, клапаны газовых форсунок и клапаны форсунок жидкого топлива,
на фиг.2 - более подробное изображение клапана газовой форсунки,
на фиг.3 - открытие клапана газовой форсунки,
на фиг.4 - масляная пленка, образовавшаяся на клапане газовой форсунки.
Осуществление изобретения
Для снижения уровня вредных выбросов в отработавших газах применяются двигатели внутреннего сгорания, работающие на газообразном топливе, таком как сжатый природный газ. Природный газ, используемый в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, позволяет сократить количество загрязняющих окружающую среду веществ в продуктах сгорания и тем самым уменьшить затраты на эксплуатацию двигателя, отказавшись от сложного или более простого оборудования для контроля состава отработавших газов.
Такие двигатели также способны работать на жидком топливе, таком как бензин и дизельное топливо.
Настоящее изобретение рассмотрено на примере двигателя внутреннего сгорания, работающего на двух видах топлива, что означает возможность использования как жидкого топлива, такого как бензин или дизельное топливо, так и газообразного топлива, такого как сжатый природный газ (СПГ) или сжиженный нефтяной газ (СНГ). Газ подается из баллона высокого давления, и его давление понижается до более низкого рабочего значения.
На фиг.1 показано схематическое изображение двигателя внутреннего сгорания с несколькими цилиндрами 200, 202, 204, 206 в двухтопливной системе впрыска, выполненной в соответствии с изобретением. Цилиндры работают на двух топливах, подаваемых из топливного бака и газового баллона, на чертеже не показанных. Топливный бак, в котором хранится запас жидкого топлива, такого как бензин, имеет топливопровод 402, подающий жидкое топливо в распределитель 400 жидкого топлива. Через распределитель 400 жидкое топливо подается к клапанам 300, 302, 304 и 306 форсунок жидкого топлива. На чертеже показано только четыре клапана форсунок жидкого топлива в качестве примера для четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Большинство автомобилей с двигателями внутреннего сгорания имеют несколько клапанов форсунок жидкого топлива, предназначенных для питания жидким топливом соответствующего числа цилиндров. Клапаны форсунок жидкого топлива впрыскивают жидкое топливо либо непосредственно в цилиндры 200, 202, 204 и 206, либо в не показанный на чертеже впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания.
Газовый баллон является баллоном высокого давления, при этом регулятор давления понижает высокое давление в баллоне до рабочего давления и подает газообразное топливо при пониженном давлении через газовый трубопровод 101 в газовый распределитель 100. Трубопровод 101 может перекрываться запорным клапаном 102. Запорный клапан 102 в закрытом состоянии препятствует движению потока газообразного топлива из газового баллона в газовый распределитель 100. К газовому распределителю подключены клапаны 104, 106, 108, 110 газовых форсунок, выполненные с возможностью впрыска газообразного топлива в цилиндры. Обычно газообразное топливо впрыскивается в не показанный на чертеже впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания, через который в цилиндры поступает воздух, участвующий в горении топлива. Возможным вариантом является также непосредственный впрыск в цилиндры.
Для измерения давления и температуры газообразного топлива в газовом распределителе и расположенных за ним клапанах 104, 106, 108, 110 газовых форсунок предусмотрены чувствительные элементы, такие как датчик давления и датчик температуры, которые на чертеже не показаны. В рассматриваемом случае для примера показано только четыре форсунки. Большинство автомобилей с двигателями внутреннего сгорания имеют несколько клапанов газовых форсунок, предназначенных для подачи газообразного топлива в соответствующее число камер сгорания.
Работой клапанов топливных форсунок управляет электронный блок управления 500, контролирующий выполнение компонентами инжекторной системы подачи топлива своих функций и снимающий показания чувствительных элементов.
Все топливные форсунки подключены к электронному блоку управления 500 проводами.
Один из клапанов газовых форсунок (поз.110) снабжен внешним нагревательным элементом 112. Также существует возможность снабдить внешним нагревательным элементом более одного клапана газовых форсунок. Можно также иметь более чем один газовый распределитель. По меньшей мере один клапан на каждый газовый распределитель должен иметь внешний нагревательный элемент.
Как указано ниже, достаточно, чтобы на один топливный распределитель приходился лишь один клапан газовой форсунки с внешним нагревательным элементом. Это уменьшает длину проводов, которые необходимо прокладывать между электронным блоком управления 500 и клапанами газовых форсунок. Каждый клапан газовой форсунки имеет провод, соединяющий соленоид (катушку индуктивности) клапана газовой форсунки с электронным блоком управления 500, но только клапан газовой форсунки с внешним нагревательным элементом имеет внешнюю проводку, соединенную с электронным блоком управления 500 для питания внешнего нагревательного элемента.
Для понимания целесообразности применения такого клапана с внешним подогревом, необходимо осознать проблему залипания клапанов, которая будет рассмотрена ниже.
Газообразное топливо подается в цилиндры клапаном газовой форсунки, показанным на фиг.2.
На фиг.2 показан клапан газовой форсунки с парой герметично сопряженных деталей (седло клапана), состоящей из неподвижной детали 100, выполненной из металла, и подвижного плунжера 104 с эластомерным материалом 102 на той стороне, которой плунжер прижимается к неподвижной детали 100. Неподвижная деталь 100 клапана, плунжер 104, соленоид 108 показаны на схеме в разрезе и являются круглыми элементами, осесимметричными относительно вертикальной оси, лежащей в плоскости чертежа на фиг.2 (координатной оси Z). При закрытии клапана эластомерный материал сжимается, а при повторном открытии клапана - восстанавливает свою исходную форму. Открытие и закрытие газовой форсунки управляется плунжером 104, который срабатывает, преодолевая усилие пружины, не показанной на фиг.2.
Усилие на срабатывание или перемещение плунжера 104, который изготовлен из магнитного материала, создается путем пропускания электрического тока через соленоид 108, окружающий плунжер. При подаче тока на соленоид возбуждается магнитное поле, которое перемещает магнитный плунжер в сторону от неподвижной детали клапана.
На фиг.3 клапан газовой форсунки показан в открытом состоянии. Соленоид 108 находится под током, что заставляет плунжер 104 смещаться к соленоиду под действием силы магнитного взаимодействия. В результате этого открывается проходное отверстие клапана, что позволяет газу проходить в камеру сгорания, как это показано стрелкой 109. При выключении соленоида прикрепленная к плунжеру пружина клапана, на чертеже не показанная, возвращает плунжер в его исходное положение, что приводит к закрытию клапана.
При понижении температуры в клапане клапаны газовых форсунок обычно открываются ненадежно. Газообразное топливо обычно содержит небольшие количества масла, которое невозможно полностью удалить фильтром или другим элементом. При холодном пуске двигателя эти масла, которые имеют низкую вязкость, образуют на седле клапана масляную пленку.
На фиг.4 подробно показан клапан газовой форсунки и масляная пленка 200, образовавшаяся между неподвижной деталью 100 и подвижной деталью 102 клапана газовой форсунки.
Масляная пленка 200, образовавшаяся на седле клапана, увеличивает усилие, необходимое для открытия клапанов газовых форсунок. Вышеупомянутая проблема приводит к пропускам зажигания и задержке пуска двигателя, если двигатель запускается на газообразном топливе. В изобретении предлагается способ уменьшения масляной пленки на седлах клапанов газовых форсунок и обеспечивающий открытие клапанов на заранее определенных этапах таким образом, чтобы уменьшить остроту проблемы залипания.
Перед пуском двигателя фиксируется открытие двери автомобиля и, аналогично тому, как предварительно приводится в действие топливный насос, перед включением зажигания включается внешний нагревательный элемент 112 в клапане 110 газовой форсунки.
Двигатель запускается на жидком топливе, подаваемом через распределитель жидкого топлива. Благодаря включению внешнего нагревательного элемента температура вокруг седла клапана 110 газовой форсунки достигает значения свыше +10°С. С повышением температуры вязкость масляной пленки уменьшается. Это позволяет клапану 110 газовой форсунки открываться легко и контролируемым образом. Цилиндр 206 частично или полностью переводится на питание газом. Клапан 110 газовой форсунки впрыскивает в цилиндр 206 газ, который оставался в газовом распределителе 100 с тех пор, как двигатель работал на газообразном топливе последний раз. Это приводит к уменьшению давления в газовом распределителе 100. Продолжительность впрыска газа можно соответствующим образом вычислить на основе давления в газовом распределителе. Кроме того, поскольку в цилиндр 206 впрыскивается газообразное топливо, количество дозируемого жидкого топлива необходимо уменьшить. Электронный блок управления 500 вычисляет количество жидкого топлива, на которое необходимо уменьшить его подачу, а также поддерживает состав горючей смеси. Как только давление в газовом распределителе окажется ниже заданного значения, цилиндр 206 переводится обратно на питание жидким топливом, а клапан 110 газовой форсунки закрывается.
Теперь система находится в состоянии, когда газовый распределитель пуст, и поэтому открытие газовых форсунок не повлияет на работу двигателя.
Теперь подогревают клапаны газовых форсунок, подавая электрический ток на соленоиды 108, показанные на фиг.2 и имеющиеся в каждом из клапанов газовых форсунок. Соленоид 108, показанный на фиг.2, имеет определенное сопротивление, и когда через соленоид проходит электрический ток, клапаны газовых форсунок нагреваются. Все клапанов газовых форсунок оставляют на заданное время в открытом состоянии. Открытие всех клапанов газовых форсунок на определенное время обеспечивает внутренний подогрев клапанов для дополнительного улучшения работы клапанов газовых форсунок при холодном пуске.
Поскольку в газовом распределителе 100 не осталось давления, газ в цилиндры не впрыскивается, и все цилиндры по-прежнему работают на жидком топливе.
После продолжавшегося заданное время подогрева клапанов газовых форсунок для достижения ими достаточной температуры, начинается подготовка к переводу двигателя внутреннего сгорания на питание газом. Сначала закрываются все клапана газовых форсунок. Затем открывается запорный клапан 102 и, после заполнения газового распределителя газом, все цилиндры переводятся на питание газообразным топливом. Поскольку запорный клапан открыт, клапаны газовых форсунок теперь работают в обычном режиме, т.е. подача газообразного топлива увеличивается, а подача жидкого топлива уменьшается.
Подогрев одного из клапанов газовых форсунок с помощью внешнего нагревательного элемента, а остальных клапанов - с помощью соленоидов, позволяет перевести автомобиль с жидкого топлива на газообразное в течение короткого промежутка времени, составляющего около 2 секунд.
Предлагаемое в изобретении выполнение заранее установленных операций с клапанами газовых форсунок перед включением двигателя внутреннего сгорания в работу на газообразном топливе повышает эффективность клапанов газовых форсунок. Изобретение преодолевает проблему залипания клапанов газовых форсунок на седлах при холодном пуске и обеспечивает эффективную работу клапанов газовых форсунок без каких бы то ни было задержек, что, в свою очередь, повышает полный к.п.д. двигателя внутреннего сгорания. Также изобретение обеспечивает эффективный контроль содержания вредных выбросов в отработавших газах.
В предлагаемом устройстве для управления работой инжекторной системы подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном и жидком топливах, основную функцию управления работой устройства выполняет электронный блок управления 500, при необходимости - во взаимодействии с дополнительными блоками управления (например, блоком управления блокировкой дверей транспортного средства). Такие блоки управления для обмена сигналами обычно связаны сетью, например шинной системой, такой как шина CAN. Команды, выдаваемые электронным блоком управления, выполняются соответствующими исполнительными механизмами, в частности исполнительным механизмом управления запорным клапаном. Соответственно, средства для определения ситуации пуска двигателя внутреннего сгорания могут включить в себя блок управления блокировкой дверей автомобиля, распознающий открытие двери после продолжительной стоянки при холодном двигателе и выдающий соответствующий сигнал в электронный блок управления двигателем. Средства закрытия запорного клапана системы впрыска газообразного топлива могут включать в себя соответствующий исполнительный механизм. Запуск двигателя внутреннего сгорания на жидком топливе с последующим управлением работой клапанов газовых форсунок двигателя внутреннего сгорания согласно предлагаемому в изобретении способу при удержании запорного клапана в закрытом состоянии осуществляется по командам электронного блока управления 500. Технические средства, используемые при работе предлагаемого в изобретении устройства, раскрыты в источнике Сига X., Мидзутани С. "Введение в автомобильную электронику" Пер. с японск. - М.: Мир, 1989, 232 с.