ДВУХТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА ПОДАЧИ ДЛЯ ПРЯМОГО ВПРЫСКА Российский патент 2022 года по МПК F02D19/06 F02B69/04 F02M43/04 F02D19/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к двухтопливной системе подачи для прямого впрыска.

Уровень техники

Изобретение может быть использовано, например, в двухтопливных системах подачи с прямым впрыском для тяжелых транспортных средств, таких как грузовики, автобусы, уплотнители и, в целом, транспортных средств с объемом двигателя более 3 литров.

В более общем смысле изобретение может быть использовано в системах, в которых используется газ с прямым впрыском.

Эталонная технология известна как «двухтопливная» и состоит в одновременном впрыске в камеру сгорания двух видов топлива: жидкого топлива, например дизельного топлива, которое запускает сгорание, и природного газа, который используется для большей части впрыска (до 95%).

В этой области компания Вестпорт разработала систему, известную как HPDI, что расшифровывается как «прямой впрыск под высоким давлением», основанную на двухканальных форсунках, т. е. которая может впрыскивать и дизельное топливо, и природный газ.

На фиг.1 схематично показана система HPDI в соответствии с предшествующим уровнем техники.

Сжиженный природный газ, находящийся в резервуаре 10 на борту транспортного средства, имеет давление, повышенное с помощью насоса 11 и переводится в газообразное состояние с помощью испарителя 12. Таким образом, испаренный газ накапливается при давлении около 300-320 бар в резервуаре для хранения сжатого газа, обозначенном номером 13. Сжатый газ проходит через редуктор 14 давления, который снижает его давление до диапазона примерно 140-290 бар, чтобы сделать его пригодным для впрыска через двухканальную форсунку 15.

В такую двухканальную форсунку 15 подача осуществляется как через линию подачи дизельного топлива, обозначенную номером 16, так и линию подачи газа, обозначенную номером 17, которая соединена с выходом редуктора 14 давления.

Как можно видеть на фиг.1, редуктор 14 давления газа имеет два входа: один для горючего газа, поступающего из резервуара 13, и один для дизельного топлива, соединенный с линией 16 подачи дизельного топлива. Другими словами, имеется соединение по текучей среде между редуктором 14 давления и линией 16 подачи дизельного топлива.

Основное преимущество такого решения заключается в том, что высокая производительность дизельного двигателя сопровождается значительным снижением выбросов загрязняющих веществ (твердых частиц, оксидов азота, диоксида углерода).

В этом контексте внимание сосредоточено на редукторе давления. В уровне техники для систем HPDI редуктор давления представляет собой устройство, которое может понижать давление газа в ответ на колебания давления дизельного топлива. Таким образом, внутри редуктора давления регулирование давления газа осуществляется чисто механически, т. е. в виде функции баланса сил. Кроме того, как уже было сказано выше, такой редуктор давления характеризуется пневматическим соединением между двумя линиями подачи, т. е. дизельного топлива и газа, с риском смешивания двух видов топлива и утечек и, следовательно, с низкой надежностью. Кроме того, такое решение не позволяет реализовать стратегии, предусматривающие независимое регулирование давления двух видов топлива.

Документ WO 2016/197252 иллюстрирует решение, описанное выше.

В этом контексте техническая задача, лежащая в основе настоящего изобретения, состоит в создании двухтопливной системы подачи с прямым впрыском, которая устраняет недостатки предшествующего уровня техники, описанные выше.

Задача изобретения

В частности, задачей настоящего изобретения является создание двухтопливной системы подачи для прямого впрыска, которая является более надежной и безопасной по сравнению с решениями предшествующего уровня техники.

Другой задачей настоящего изобретения является создание двухтопливной системы подачи для прямого впрыска, которая имеет упрощенную конструкцию по сравнению с решениями предшествующего уровня техники.

Определенное техническое задание и указанные задачи по существу выполнены посредством двухтопливной системы подачи для прямого впрыска для двигателей тяжелых транспортных средств, содержащей:

- линию подачи горючей жидкости;

- линию подачи горючей жидкости;

- множество форсунок, сообщающихся по текучей среде с линией подачи горючей жидкости и с линией подачи горючего газа;

- электронный модуль управления, выполненный с возможностью управления подачей горючей жидкости и горючего газа к форсункам;

- устройство регулятора давления, содержащее средство для установления избирательного сообщения между входным каналом и выходным каналом, причем устройство регулятора давления выполнено с возможностью приема горючего газа при входном давлении p_in через входной канал и, в ответ на командный сигнал, поступающий от электронного модуля управления, выдачи горючего газа из выходного канала в линию подачи горючего газа с выходным давлением p_out ниже входного давления p_in;

- первый датчик давления, выполненный с возможностью обнаружения давления горючего газа в соответствующей линии подачи и подачи в электронный модуль управления первого сигнала, представляющего давление, обнаруженное для горючего газа;

- второй датчик давления, выполненный с возможностью обнаружения давления горючей жидкости в соответствующей линии подачи и подачи в электронный модуль управления второго сигнала, представляющего давление, обнаруженное для горючей жидкости.

Предпочтительно, электронный модуль управления выполнен с возможностью генерации командного сигнала в ответ на первый сигнал и второй сигнал в соответствии с логикой обратной связи, при которой выходное давление p_out устройства регулятора давления горючего газа следует за эталонным давлением p_target.

Предпочтительно, средство для установления избирательного сообщения между входным каналом и выходным каналом содержит электрический клапан, выполненный с возможностью приема командного сигнала, который является функцией по меньшей мере первого значения p₁ давления горючего газа, обнаруженного в выходном канале.

Предпочтительно, система также содержит третий датчик давления, выполненный с возможностью определения давления горючего газа во входном канале и подачи в электронный модуль управления третьего сигнала, представляющего давление, обнаруженное для горючего газа.

Согласно одному варианту осуществления командный сигнал также является функцией второго значения p₂ давления, обнаруженного для горючей жидкости.

Согласно одному варианту осуществления командный сигнал также является функцией третьего обнаруженного значения p₃ давления горючего газа, обнаруженного во входном канале.

Предпочтительно, электрический клапан является клапаном пропорционального типа.

Предпочтительно, электрический клапан содержит:

- корпус клапана, снабженный отверстием, расположенным между входным каналом и выходным каналом;

- заслонку, размещенную в отверстии;

соленоид, выполненный с возможностью воздействия на заслонку для ее перемещения внутри отверстия так, что она принимает положение, для которого расход горючего газа, проходящего через отверстие, пропорционален току, протекающему в соленоиде.

Предпочтительно, устройство регулятора давления также содержит:

- выпускной канал;

- выпускной клапан, расположенный на выпускном канале и выполненный с возможностью установления избирательного сообщения между выпускным каналом и указанным выходным каналом.

Предпочтительно, на входном канале расположен запорный клапан.

Краткое описание чертежей

Дополнительные характеристики и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из ориентировочного и, таким образом, неограничивающего описания предпочтительного, но не исключительного варианта осуществления двухтопливной системы подачи для прямого впрыска, как показано на прилагаемых чертежах, на которых:

- на фиг.1 схематично показана двухтопливная система подачи для прямого впрыска согласно известному решению;

- на фиг.2а-2с схематически показаны три варианта осуществления двухтопливной системы подачи для прямого впрыска согласно настоящему изобретению;

- на фиг.3-4 показано устройство регулятора давления для регулирования горючего газа, используемого в двухтопливной системе подачи с прямым впрыском, в двух разных видах в разрезе в перспективе.

Осуществление изобретения

На фиг.2a-2b номером позиции 100 обозначена двухтопливная система подачи для прямого впрыска, в частности для двигателей тяжелых транспортных средств, т. е. для транспортных средств с двигателями, обычно имеющими объем более 3 литров.

Двухтопливная система 100 подачи содержит:

- линию 160 подачи горючей жидкости, в частности дизельного топлива (обозначенную ниже для простоты как «линия дизельного топлива»);

- линию 170 подачи горючего газа, в частности природного газа (обозначенную ниже для простоты как «линия газа»);

- множество двухканальных форсунок 150.

В частности, двухканальные форсунки 150 выполнены с возможностью одновременного впрыска дизельного топлива и природного газа в камеру сгорания (не показана) двигателя.

Такие форсунки относятся к известному типу и далее не описываются. Двухтопливная система 100 подачи содержит устройство регулятора давления для регулирования давления горючего газа, которое обозначено номером позиции 1.

Компоненты выше по потоку от устройства 1 регулятора давления идентичны компонентам предшествующего уровня техники.

В частности, со ссылкой на фиг.2a-2b, обозначено следующее:

- первый резервуар 10, содержащий сжиженный природный газ;

- насос 11 ниже по потоку от первого резервуара 10;

- испаритель 12 для испарения сжиженного природного газа;

- второй резервуар 13, содержащий испаренный природный газ.

Как видно на фиг.3-4, устройство 1 регулятора давления горючего газа содержит:

- входной канал 2, выполненный с возможностью приема горючего газа при входном давлении p_in;

- выходной канал 3, выполненный с возможностью выпуска горючего газа при выходном давлении p_out ниже входного давления p_in;

- электрический клапан 4, размещенный между входным каналом 2 и выходным каналом 3, который выполнен с возможностью установления избирательного сообщения между этими каналами 2, 3.

Согласно одному варианту осуществления значение входного давления p_in находится в диапазоне 300-320 бар, а значение выходного давления p_out - в диапазоне 140-290 бар.

Согласно другому варианту осуществления входное давление p_in больше 500 бар, а выходное давление p_out может достигать 490 бар.

Электрический клапан 4 выполнен с возможностью приема командного сигнала S_com, который является функцией по меньшей мере первого значения p₁ давления горючего газа, обнаруженного в выходном канале 3, который соединен с газовой линией 170.

Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.2a и 2b, командный сигнал S_com также является функцией второго обнаруженного значения p₂ давления горючей жидкости, обнаруженного в линии 160 дизельного топлива. Предпочтительно, командный сигнал S_com также является функцией третьего обнаруженного значения p₃ давления горючего газа, обнаруженного во входном канале 2.

Двухтопливная система 100 подачи содержит электронный модуль ECU управления, который выполнен с возможностью управления подачей горючей жидкости и горючего газа в двухканальные форсунки 150.

Командный сигнал S_com для электрического клапана 4 генерируется электронным модулем ECU управления.

В ответ на командный сигнал S_com устройство 1 регулятора давления выдает горючий газ с выходным давлением p_out.

Система 100 содержит по меньшей мере один первый датчик 171 давления, выполненный с возможностью обнаружения давления горючего газа (обозначенного выше как «первое давление p₁») в соответствующей газовой линии 170 и подачи в электронный модуль ECU управления первого сигнала S₁, представляющего это давление.

В варианте осуществления, показанном на фиг.2a и 2b, система 100 также содержит второй датчик 161 давления, выполненный с возможностью обнаружения давления дизельного топлива (обозначенного выше как «второе давление p₂») в соответствующей линии 160 дизельного топлива и подачи в электронный модуль ECU управления второго сигнала S₂, представляющего это давление.

Предпочтительно, также имеется третий датчик 131 давления, выполненный с возможностью обнаружения давления горючего топлива (обозначенного выше как «третье давление p₃») во входном канале 2 и подачи в электронный модуль ECU управления третьего сигнала S₃, представляющего это давление.

Электронный модуль ECU управления выполнен с возможностью генерировать командный сигнал S_com в ответ по меньшей мере на первый сигнал S₁.

Предпочтительно, электронный модуль ECU управления выполнен с возможностью генерировать командный сигнал S_com также в ответ на второй сигнал S₂ и третий сигнал S₃ в соответствии с логикой обратной связи, при которой выходное давление p_out горючего газа из устройства 1 регулятора давления следует за эталонным давлением p_target.

Эталонное давление p_target может изменяться в виде функции от условий работы двигателя.

Логика обратной связи, реализованная электронным модулем ECU управления для генерации командного сигнала S_com, идеально учитывает также такие параметры двигателя, как, например:

- обороты в минуту (об/мин, RPM)

- лямбда λ (соотношение воздух-топливо, AFR)

- нагрузка на двигатель (расход атмосферного воздуха).

Как можно понять из фигур чертежей и приведенного выше объяснения, нет необходимости подавать горючую жидкость напрямую к устройству 1 регулятора давления, которое вместо этого только реагирует на командный сигнал S_com.

Фиг.2а относится к варианту осуществления, в котором электронный модуль ECU управления представляет собой отдельный электронный модуль, который получает параметры двигателя и три упомянутых выше сигнала S₁, S₂, S₃, и генерирует командный сигнал S_com.

Фиг.2b относится к варианту, в котором модуль ECU управления содержит два отдельных модуля: первый электронный модуль 180, который получает параметры двигателя и отправляет их второму электронному модулю или драйверу 181 (который, как вариант, может быть интегрирован в устройство 1 регулятора давления), который принимает в качестве входных данных также три упомянутых выше сигнала S₁, S₂, S₃ и генерирует командный сигнал S_com.

Фиг.2c относится к другому варианту, в котором модуль ECU управления содержит два отдельных модуля: первый электронный модуль 180, который получает параметры двигателя и который принимает три упомянутых выше входных сигнала S₁, S₂, S₃ и генерирует управляющий логический сигнал S_{com_log}, который будет отправлен второму электронному модулю или драйверу 181 (который, как вариант, может быть интегрирован в устройство 1 регулятора давления), который генерирует командный сигнал S_com.

Предпочтительно, электрический клапан 4 является клапаном пропорционального типа. В частности, он содержит:

- корпус 14 клапана, внутри которого выполнено отверстие 6, расположенное между входным каналом 2 и выходным каналом 3;

- заслонку 5, размещенную в отверстии 6;

- соленоид 7, выполненный с возможностью воздействия на заслонку 5 для ее перемещения внутри отверстия 6 так, что она принимает положение, в котором расход горючего газа, проходящего через отверстие 6, пропорционален току, протекающему в соленоиде 7.

Устройство 1 регулятора давления также содержит выпускной канал 8, с которым связан выпускной клапан 9 для установления избирательного сообщения выпускной линии с выходным каналом 3.

В этом случае имеется два управляющих сигнала: один для электрического клапана 4, а другой для выпускного клапана 9. В общем, могут иметься различные управляющие сигналы, если в устройстве 1 используются различные клапаны, которыми необходимо управлять.

В частности, когда выходное давление p_out горючего газа превышает заданный порог, выпускной клапан 9 открывается, чтобы обеспечить выпуск части или всего горючего газа через выпускной канал 8.

Выпускной канал 8 ведет прямо в окружающую среду или в первый резервуар 10, содержащий сжиженный природный газ.

Предпочтительно, на входном канале 2 имеется запорный клапан 20, представляющий собой предохранительный клапан, выполненный с возможностью прерывания сообщения по текучей среде между входным каналом 2 и выходным каналом 3 в ответ на определенные рабочие условия системы 100.

Например, запорный клапан 20 срабатывает в случае выключения двигателя, или когда система работает только на дизельном топливе, или в случае аварии.

Из приведенного описания, характеристики двухтопливной системы подачи топлива для прямого впрыска согласно настоящему изобретению очевидно являются преимуществами.

Поскольку предлагаемая система подачи осуществляет электронное регулирование давления газа, устраняется соединение по текучей среде с линией подачи дизельного топлива.

Система подачи с форсунками более гибкая, поскольку регулятор получает от модуля управления команду следовать за эталонным или целевым давлением, которое может изменяться (в отличие от того, что происходит в полностью механических решениях).

Изобретение относится к системам топливоподачи. Двухтопливная система (100) подачи содержит линии (160, 170) подачи горючей жидкости и газа и сообщающиеся с ними множество форсунок (150). Электронный модуль (ECU) управления выполнен с возможностью управления подачей горючей жидкости и горючего газа к форсункам (150). Устройство (1) регулятора давления содержит средство для установления избирательного сообщения между входным каналом (2) и выходным каналом (3). Первый датчик (171) и второй датчик (161) давления в линиях (170, 160) подачи подают сигналы в ECU. ECU выполнен с возможностью генерации командного сигнала в соответствии с логикой обратной связи, при которой выходное давление устройства (1) регулятора давления следует за эталонным давлением. Средство для установления избирательного сообщения содержит электрический клапан (4), принимающий командный сигнал. Устройство (1) регулятора давления выполнено с возможностью выдачи горючего газа из выходного канала (3) в линию (170) подачи горючего газа с выходным давлением ниже входного давления в ответ на указанный командный сигнал. Технический результат заключается в повышении надежности, безопасности и упрощении конструкции системы. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двухтопливная система (100) подачи для прямого впрыска для двигателей тяжелых транспортных средств, содержащая:

- линию (160) подачи горючей жидкости;

- линию (170) подачи горючего газа;

- множество форсунок (150), сообщающихся по текучей среде с линией (160) подачи горючей жидкости и с линией (170) подачи горючего газа;

- электронный модуль (ECU) управления, выполненный с возможностью управления подачей горючей жидкости и горючего газа к указанным форсункам (150);

- устройство (1) регулятора давления, содержащее средство для установления избирательного сообщения между входным каналом (2) и выходным каналом (3), причем указанное устройство (1) регулятора давления выполнено с возможностью приема горючего газа при входном давлении (p_in) через указанный входной канал (2);

- первый датчик (171) давления, выполненный с возможностью обнаружения давления горючего газа в соответствующей линии (170) подачи и подачи в указанный электронный модуль (ECU) управления первого сигнала (S₁), представляющего давление, обнаруженное для указанного горючего газа;

- второй датчик (161) давления, выполненный с возможностью обнаружения давления горючей жидкости в соответствующей линии (160) подачи и для подачи в указанный электронный модуль (ECU) управления второго сигнала (S₂), представляющего давление, обнаруженное для указанной горючей жидкости,

отличающаяся тем, что указанный электронный модуль (ECU) управления выполнен с возможностью генерации указанного командного сигнала (S_com) в ответ на первый сигнал (S₁) и на второй сигнал (S₂) в соответствии с логикой обратной связи, при которой выходное давление (p_out) устройства (1) регулятора давления следует за эталонным давлением (p_target), при этом указанное средство для установления избирательного сообщения содержит электрический клапан (4), выполненный с возможностью приема командного сигнала (S_com),

причем устройство (1) регулятора давления выполнено с возможностью выдачи горючего газа из выходного канала (3) в линию (170) подачи горючего газа с выходным давлением (p_out) ниже входного давления (p_in) в ответ на указанный командный сигнал (S_com).

2. Двухтопливная система (100) подачи по п.1, дополнительно содержащая третий датчик (131) давления, выполненный с возможностью обнаружения давления горючего газа в указанном входном канале (2) и подачи в указанный электронный модуль (ECU) управления третьего сигнала (S₃), представляющего давление, обнаруженное для указанного горючего газа.

3. Двухтопливная система (100) подачи по любому из предшествующих пунктов, в которой указанный командный сигнал (S_com) также является функцией третьего значения (p₃) давления горючего газа, обнаруженного во входном канале (2).

4. Двухтопливная система (100) подачи по любому из предшествующих пунктов, в которой указанный электрический клапан (4) является клапаном пропорционального типа.

5. Двухтопливная система (100) подачи по п.4, в которой указанный электрический клапан (4) содержит:

- корпус (14) клапана, снабженный отверстием (6), расположенным между входным каналом (2) и выходным каналом (3);

- заслонку (5), размещенную в указанном отверстии (6);

- соленоид (7), выполненный с возможностью воздействия на указанную заслонку (5) для ее перемещения внутри указанного отверстия (6) так, что заслонка (5) принимает положение, в котором расход горючего газа, проходящего через отверстие (6), пропорционален току, протекающему в соленоиде (7).

6. Двухтопливная система (100) подачи по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая:

- выпускной канал (8);

- выпускной клапан (9), расположенный на выпускном канале (8) и выполненный с возможностью установления избирательного сообщения между указанным выпускным каналом (8) и указанным выходным каналом (3).

7. Двухтопливная система (100) подачи по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая запорный клапан (20), расположенный на указанном входном канале (2).