СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВУХТОПЛИВНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 2014 года по МПК F02D19/06 F02D41/02 F02M21/02 

Изобретение относится к автомобилестроению и может быть использовано для модернизации стареющего парка автомобильного транспорта с целью повышения его эксплутационных показателей.

Эксплутационные показатели двигателя внутреннего сгорания могут быть значительно повышены при питании его двумя видами топлива: жидким (бензин), и газообразным (сжатый или сжиженный газ).

Широко известны системы управления ЛВС обеспечивающие работу двигателя на двух различных видах топлива [Золотницкий В.А. Новые газотопливные системы автомобилей/ Под научн. ред. С.Н. Погребного. - М.: Издательский Дом Третий Рим, 2005. - 64 с, табл., ил.].

Недостатком данных устройств являются неоптимальное управление рабочим процессом ЛВС, что приводит к низким эксплутационным показателям автомобиля в целом.

Аналогом заявляемого устройства лишенным вышеуказанных недостатков является система, описанная в литературе [Ерохов В.И. Газобалонные автомобили М: Горячая линия - Телеком 2012 г. с.205-209], но применение данной системы значительно увеличивает стоимость модернизации стареющего автомобильного парка, так как требует введение новых элементов в систему питания жидким топливом. Принимая во внимание, что система питания жидким топливом является резервной, эксплуатация автомобиля на ней не производится, применение данной системы нецелесообразно.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, принятому за прототип, является система управления двух топливным двигателем, приведенная на фиг.1. Система состоит из: подсистемы подачи жидкого и газообразного топлива [Золотницкий В.А. Новые газотопливные системы автомобилей/ Под научн. ред. С.Н. Погребного. - М.: Издательский Дом Третий Рим, 2005. - 64 с, табл., ил. с.13], подсистемы зажигания [Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей и тракторов: учебник. М.: Машиностроение, 2007. 656 с. с.260-284], подсистемы управление экономайзером принудительного холостого хода [Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей и тракторов: учебник. М.: Машиностроение, 2007. 656 с. с.339-353].

Система содержит: карбюратор с электромагнитным клапаном экономайзера принудительного холостого хода и концевым выключателем дроссельной заслонки (1), газовый смеситель (2), электромагнитный клапан (3), газовый редуктор с разгрузочным устройством (4), топливный насос (5), переключатель вида топлива (6), газовый электромагнитный клапан (7), топливный бак (8), газовый баллон с расходно-наполнительной арматурой (9), датчик момента искрообразования (10), катушку зажигания (11), высоковольтный N-канальный распределитель (12), где N число цилиндров ДВС, электронный блок экономайзера принудительного холостого хода (13), коммутатор катушки зажигания (14), дозатор (16), причем топливный бак (8) при помощи трубопровода соединен со входом топливного насоса (5), выход топливного насоса при помощи трубопровода соединен со входом электромагнитного клапана (3), выход электромагнитного клапана (3) при помощи трубопровода соединен с топливным входом карбюратора (1), газовый баллон (9) при помощи трубопровода высокого давления соединен со входом газового электромагнитного клапана (7), выход газового электромагнитного клапана (7) при помощи трубопровода высокого давления соединен со входом газового редуктора (4), выход газового редуктора (4) при помощи трубопровода соединен со входом дозатора (16), выход дозатора (16) при помощи трубопровода соединен газовым смесителем (2), вход разгрузочного устройства газового редуктора (4) с при помощи трубопровода соединен с впускным коллектором ДВС (15), электронный блок экономайзера принудительного холостого хода (13) первым выводом подключен общей шине питания, вторым выводом подключен к источнику питания, третьим выводом подключен к выходу коммутатора катушки зажигания (14) и ко входу катушки зажигания (11), четвертым выводом подключен к электромагнитному клапану экономайзера принудительного холостого карбюратора (1), пятым выводом подключен к концевому выключателю дроссельной заслонки карбюратора (1), датчик момента искрообразования (10) подключен первым выводом к общей шине питания, вторым выводом к источнику питания, а выходом ко входу коммутатора катушки зажигания (14), коммутатор катушки зажигания (14) подключен первым выводом к общей шине питания, вторым выводом к источнику питания, катушка зажигания (11) подключена первым выводом к источнику питания, выходом ко входу высоковольтного N-канального распределителя (12), электромагнитный клапан (3) подключен первым выводом к общей шине питания, вторым выводом ко второму выводу переключателя вида топлива (6), газовый электромагнитный клапан (7) подключен первым выводом к общей шине питания, а вторым выводом к третьему выводу переключателя вида топлива (6), переключатель вида топлива (6) первым выводом подключен к источнику питания.

Главный недостаток системы управления выбранной в качестве прототипа, невозможность обеспечить необходимый состав топливо-воздушной смеси во всех режимных точках двигателя, также значительная зависимость состава смеси от параметров газового топлива, температуры двигателя и температуры окружающей среды [Газобаллонные автомобили/Е.Г. Григорьев, Б.Д. Колубаев, В.И. Ерохов и др. - М.: Машиностроение, 1989. - 236 с.: ил.].

Газовое топливо, по сравнению с жидким, характеризуется совершенно иными физико-химическими свойствами, процесс сгорания газового топлива в ДВС имеет иную кинетику. Соответственно оптимальный угол опережения зажигания для газового топлива значительно отличается от оптимального угла опережения зажигания для жидких видов топлива (бензина). Система управления, выбранная в качестве прототипа, обеспечивает одинаковый угол опережения зажигания для различных видов топлива. Соответственно показатели мощности и топливной экономичности ДВС будут невысоки.

В системе управления выбранной в качестве прототипа, при работе на газовом топливе, отсутствует режим отключения подачи топлива, так называемый режим принудительного холостого хода, что приводит к значительному снижению экологических показателей, а также показателей топливной экономичности.

Задачей предполагаемого изобретения является обеспечение высокого качества управления рабочим процессом ДВС, то есть обеспечения заданного состава топливо-воздушной смеси и оптимального угла опережения зажигания во всех режимных точках двигателя, при использовании как жидкого (бензина) так и газообразного топлива.

Поставленная задача решается тем, что в систему управления, содержащую: карбюратор с электромагнитным клапаном экономайзера принудительного холостого хода и концевым выключателем дроссельной заслонки (1), электромагнитный клапан (3), топливный насос (5), переключатель вида топлива (6), газовый электромагнитный клапан (7), топливный бак (8), газовый баллон с расходно-наполнительной арматурой (9), датчик момента искрообразования (10), катушку зажигания (11), высоковольтный N-канальный распределитель (12), где N число цилиндров ДВС, электронный блок экономайзера принудительного холостого хода (13), коммутатор катушки зажигания (14), причем топливный бак (8) при помощи трубопровода соединен с входом топливного насоса (5), выход топливного насоса при помощи трубопровода соединен с входом электромагнитного клапана (3), выход электромагнитного клапана (3) при помощи трубопровода соединен с топливным входом карбюратора (1), газовый баллон (9) при помощи трубопровода высокого давления соединен со входом газового электромагнитного клапана (7), электронный блок экономайзера принудительного холостого хода (13) первым выводом подключен общей шине питания, вторым выводом подключен к источнику питания, третьим выводом подключен к выходу коммутатора катушки зажигания (14) и ко входу катушки зажигания (11), четвертым выводом подключен к электромагнитному клапану экономайзера принудительного холостого карбюратора (1), пятым выводом подключен к концевому выключателю дроссельной заслонки карбюратора (1), датчик момента искрообразования (10) подключен первым выводом к общей шине питания, вторым выводом к источнику питания, коммутатор катушки зажигания (14) подключен первым выводом к общей шине питания, вторым выводом к источнику питания, катушка зажигания (11) подключена первым выводом к источнику питания, выходом ко входу высоковольтного N-канального распределителя (12), электромагнитный клапан (3) подключен первым выводом к общей шине питания, вторым выводом ко второму выводу переключателя вида топлива (6), газовый электромагнитный клапан (7) подключен первым выводом к общей шине питания, а вторым выводом к третьему выводу переключателя вида топлива (6), переключатель вида топлива (6) первым выводом подключен к источнику питания, введены дифференциальный газовый редуктор (4), поддерживающий постоянную разницу давлений между выходом и управляющим входом, датчик температуры газа (16), набор из N быстродействующих электромагнитных клапанов (17), датчик абсолютного давления (18), датчик состава отработанных газов ДВС (лямбда-зонд) (19), датчик температуры охлаждающей жидкости ДВС (20), датчик температуры воздуха (21), микропроцессорный блок управления (22), согласующее устройство (23), причем вход дифференциального газового редуктора (4) с помощью трубопровода высокого давления соединен с выходом газового электромагнитного клапана, управляющий вход дифференциального газового редуктора соединен с впускным коллектором (15), выход дифференциального газового редуктора (4) с помощью трубопровода соединен со входом датчика температуры газа (16), выход датчика температуры газа (16) с помощью трубопровода соединен со входом набора из N быстродействующих электромагнитных клапанов (17), N выходов набора из N быстродействующих электромагнитных клапанов с помощью трубопроводов соединены с трубопроводами впускного коллектора (15), датчик абсолютного давления (18) с помощью трубопровода соединен с впускным коллектором, датчик температуры газа (16) первым выводом подключен общей шине питания, а вторым выводом к тринадцатому выводу микропроцессорного блока управления (22), набор из N быстродействующих электромагнитных клапанов (17) общим выводом подключен к источнику питания, а шиной из N проводников подключен к микропроцессорному блоку управления (22), датчик абсолютного давления (18), первым выводом подключен к общей шине питания, вторым выводом подключен к источнику питания, а выходом к одиннадцатому выводу микропроцессорного блока управления (22), датчик состава отработанных газов ДВС (лямбда-зонд) (19) первым выводом подключен к общей шине питания, вторым выводом подключен к источнику питания, третьим выводом подключен к шестому выводу микропроцессорного блока управления (22), четвертым выводом подключен к пятому выводу микропроцессорного блока управления (22), датчик температуры охлаждающей жидкости ДВС (20) первым выводом подключен к общей шине питания, а вторым выводом подключен к четвертому выводу микропроцессорного блока управления (22), датчик температуры воздуха (21) первым выводом подключен к общей шине питания, а вторым выводом подключен к третьему выводу микропроцессорного блока управления (22), микропроцессорный блок управления (22) подключен первым выводом к общей шине питания, вторым выводом к источнику питания, седьмым выводом к выходу датчика момента искрообразования (10), восьмым выводом ко входу коммутатора катушки зажигания (14), десятым выводом к пятому выводу электронного блока экономайзера принудительного холостого хода (13), четырнадцатым выводом к третьему выводу переключателя вида топлива (6), вход согласующего устройства (23) подключен к первому выходу высоковольтного N-канального распределителя (12), а выход согласующего устройства (23) подключен к девятому выводу микропроцессорного блока управления (22).

Схема системы управления приведена на фиг.2.

Система работает следующим образом. При положении переключателя вида топлива (6) "Бензин" газовый электромагнитный клапан (7) и быстродействующие газовые электромагнитные клапаны (17) закрыты, а электромагнитный клапан (3) открыт, таким образом обеспечивается питание карбюратора бензином и блокировка подачи газового топлива. Программное обеспечение микропроцессорного блока управления (22) выполняет следующие функции: обрабатывает сигнал датчика температуры охлаждающей жидкости ДВС (20), сигнал датчика температуры воздуха (21), сигнал датчика абсолютного давления (18), сигнал датчика момента искрообразования (10), сигнал концевого выключателя дроссельной заслонки карбюратора и управляет коммутатором катушки зажигания (14), таким образом, обеспечиваются оптимальный угол опережения зажигания во всех режимных точках двигателя, а при закрытой дроссельной заслонке, то есть в режиме холостого хода, управление углом опережения зажигания происходит с целью поддержания заданных оборотов двигателя. При этом питание двигателя топливом, температурная регулировка состава смеси и циклового наполнения ДВС осуществляется карбюратором.

При нейтральном положение переключателя вида топлива (6) электромагнитный клапан (6) закрыт.Подача бензина к карбюратору блокируется. Микропроцессорный блок управления функционирует по тому же алгоритму, что и при положении переключателя вида топлива "Бензин", при этом обеспечивается выработка остатков топлива из поплавковой камеры карбюратора.

При положении переключателя вида топлива (6) "Газ" электромагнитный клапан (3) закрыт, газовый электромагнитный клапан (7) открыт.Таким образом, блокируется подача бензина к карбюратору (1), и обеспечивается подача газа к дифференциальному газовому редуктору (4). Дифференциальный газовый редуктор (4) поддерживает постоянное давление действующие между входом и выходом быстродействующих электромагнитных клапанов (17), в результате чего расход газа через открытые клапаны не зависит от давления во впускном коллекторе (15).

Согласующее устройство (23) выполняет преобразование высоковольтных импульсов присутствующих на выходах высоковольтного распределителя (12) в уровни сигналов безопасные для обработки микропроцессорным блоком управления (22), таким образом, значительно повышается надежность системы. Согласующее устройство может быть выполнено в виде трансформатора, емкостного или резистивного делителя.

Программное обеспечение микропроцессорного блока управления (22) выполняет следующие функции: обрабатывает сигнал датчика температуры охлаждающей жидкости ДВС (20), сигнал датчика температуры газа (16), сигнал датчика температуры воздуха (21), сигнал датчика абсолютного давления (18), сигнал датчика состава отработанных газов (19), сигнал датчика момента искрообразования (10), сигнал с первого выхода высоковольтного N-канального распределителя (12), сигнал концевого выключателя дроссельной заслонки карбюратора (1) и управляет коммутатором катушки зажигания (14) и быстродействующими электромагнитными клапанами (17), таким образом, обеспечиваются оптимальный угол опережения зажигания во всех режимных точках двигателя и заданный состав топливовоздушной смеси. При закрытой дроссельной заслонке, то есть в режиме холостого хода, управление углом опережения зажигания происходит с целью поддержания заданных оборотов двигателя. При этом регулировка циклового наполнения ДВС осуществляется карбюратором. Стоит отметить, что наличие сигнала поступающего в микропроцессорный блок управления (22) через согласующее устройство (23) от первого выхода высоковольтного N-канального распределителя (12) позволяет управлять быстродействующими электромагнитными клапанами синфазно с положением газораспределительного механизма ДВС. Тем самым повышается точность поддержания состава топливовоздушной смеси в динамических режимах, то есть при изменении режимной точки двигателя.

Технический результат: предложена система управления двухтопливным двигателем внутреннего сгорания обеспечивающая оптимальный угол опережения зажигания и заданный состав топливовоздушной смеси во всех режимных точках двигателя при использовании как жидкого (бензин) так и газового топлива.

Изобретение может быть использовано для модернизации стареющего парка автомобильного транспорта. Система управления двухтопливным двигателем внутреннего сгорания (ДВС) содержит систему зажигания с высоковольтным N-канальным распределителем, где N - число цилиндров ДВС, системы питания жидким топливом (СПЖТ) и системы питания газовым топливом (СПГТ). Переключение питания осуществляется переключателем вида топлива. СПЖТ выполнена в виде карбюраторной системы питания с экономайзером принудительного холостого хода и электронным управлением. СПГТ содержит газовый баллон с расходно-наполнительной арматурой, дифференциальный газовый редуктор и N быстродействующих электромагнитных клапанов. Управление осуществляется единым микропроцессорным блоком управления. Система управления содержит датчик (Д) температуры газа, Д абсолютного давления, Д состава отработавших газов, Д температуры охлаждающей жидкости, Д момента искрообразования. Система управления обеспечивает формирование оптимального состава топливовоздушной смеси и угла опережения зажигания во всех режимных точках работы ДВС при использовании как жидкого, так и газового топлива. Технический результат заключается в повышении эффективности использования жидкого и газового топлив, а также улучшении эксплуатационных показателей ДВС. 2 ил.

Система управления двухтопливным двигателем, содержащая: карбюратор с электромагнитным клапаном экономайзера принудительного холостого хода и концевым выключателем дроссельной заслонки, электромагнитный клапан, топливный насос, переключатель вида топлива, газовый электромагнитный клапан, топливный бак, газовый баллон с расходно-наполнительной арматурой, датчик момента искрообразования, катушку зажигания, высоковольтный N-канальный распределитель, где N число цилиндров ДВС, электронный блок экономайзера принудительного холостого хода, коммутатор катушки зажигания, причем топливный бак при помощи трубопровода соединен с входом топливного насоса, выход топливного насоса при помощи трубопровода соединен со входом электромагнитного клапана, выход электромагнитного клапана при помощи трубопровода соединен с топливным входом карбюратора, газовый баллон при помощи трубопровода высокого давления соединен со входом газового электромагнитного клапана, электронный блок экономайзера принудительного холостого хода первым выводом подключен к общей шине питания, вторым выводом подключен к источнику питания, третьим выводом подключен к выходу коммутатора катушки зажигания и ко входу катушки зажигания, четвертым выводом подключен к электромагнитному клапану экономайзера принудительного холостого карбюратора, пятым выводом подключен к концевому выключателю дроссельной заслонки карбюратора, датчик момента искрообразования подключен первым выводом к общей шине питания, вторым выводом к источнику питания, коммутатор катушки зажигания подключен первым выводом к общей шине питания, вторым выводом к источнику питания, катушка зажигания подключена первым выводом к источнику питания, выходом ко входу высоковольтного N-канального распределителя, электромагнитный клапан подключен первым выводом к общей шине питания, вторым выводом ко второму выводу переключателя вида топлива, газовый электромагнитный клапан подключен первым выводом к общей шине питания, а вторым выводом к третьему выводу переключателя вида топлива, переключатель вида топлива первым выводом подключен к источнику питания, отличающийся тем, что введены дифференциальный газовый редуктор, поддерживающий постоянную разницу давлений между выходом и управляющим входом, датчик температуры газа, набор из N быстродействующих электромагнитных клапанов, датчик абсолютного давления, датчик состава отработанных газов ДВС (лямбда-зонд), датчик температуры охлаждающей жидкости ДВС, датчик температуры воздуха, микропроцессорный блок управления, согласующее устройство, причем вход дифференциального газового редуктора с помощью трубопровода высокого давления соединен с выходом газового электромагнитного клапана, управляющий вход дифференциального газового редуктора соединен с впускным коллектором, выход дифференциального газового редуктора с помощью трубопровода соединен со входом датчика температуры газа, выход датчика температуры газа с помощью трубопровода соединен со входом набора из N быстродействующих электромагнитных клапанов, N выходов набора из N быстродействующих электромагнитных клапанов с помощью трубопроводов соединены с трубопроводами впускного коллектора, датчик абсолютного давления с помощью трубопровода соединен с впускным коллектором, датчик температуры газа первым выводом подключен к общей шине питания, а вторым выводом к тринадцатому выводу микропроцессорного блока управления, набор из N быстродействующих электромагнитных клапанов общим выводом подключен к источнику питания, а шиной из N проводников подключен к микропроцессорному блоку управления, датчик абсолютного давления первым выводом подключен к общей шине питания, вторым выводом подключен к источнику питания, а выходом к одиннадцатому выводу микропроцессорного блока управления, датчик состава отработанных газов ДВС (лямбда-зонд) первым выводом подключен к общей шине питания, вторым выводом подключен к источнику питания, третьим выводом подключен к шестому выводу микропроцессорного блока управления, четвертым выводом подключен к пятому выводу микропроцессорного блока управления, датчик температуры охлаждающей жидкости ДВС первым выводом подключен к общей шине питания, а вторым выводом подключен к четвертому выводу микропроцессорного блока управления, датчик температуры воздуха первым выводом подключен к общей шине питания, а вторым выводом подключен к третьему выводу микропроцессорного блока управления, микропроцессорный блок управления подключен первым выводом к общей шине питания, вторым выводом к источнику питания, седьмым выводом к выходу датчика момента искрообразования, восьмым выводом ко входу коммутатора катушки зажигания, десятым выводом к пятому выводу электронного блока экономайзера принудительного холостого хода, четырнадцатым выводом к третьему выводу переключателя вида топлива, вход согласующего устройства подключен к первому выходу высоковольтного N-канального распределителя, а выход согласующего устройства подключен к девятому выводу микропроцессорного блока управления.