Система живлення та регулювання частоти обертання транспортного газодизеля із змінною “запальною дозою” дизельного палива

1. Система живлення та регулювання частоти обертання газодизеля, що включає щонайменше один газовий балон, який через балонну арматуру, що містить запірний механічний та електромагнітний газові клапани, з'єднаний з одного боку з заправним вузлом, а з іншого боку через газову магістраль, магістральний електромагнітний газовий клапан, газовий редуктор чи редуктор-випарник та газовий фільтр, загальною газовою рейкою (common rail) - з газовими форсунками, при цьому кожна з газових форсунок за допомогою патрубка з'єднана з газовим соплом, що встановлено у кожному випускному патрубку між об'єднуючою трубою впускного колектора та впускним каналом; газовий редуктор чи редуктор-випарник пневмомагістраллю через сопло зв'язаний з об'єднуючою трубою випускного колектора, система також включає штатний механічний регулятор частоти обертання прямої дії, встановлений на паливний насос високого тиску, з важелем керування регу 2 (19) 1 3 Винахід відноситься до систем живлення газовим паливом та автоматичного регулювання частоти обертання двигунів внутрішнього згоряння і може бути використаний при створенні двигунів, що працюють як тільки на дизельному паливі (за дизельним циклом), так і на дизельному та газовому паливах одночасно (за газодизельним циклом), при цьому в якості газового моторного палива можуть бути застосовані як природний газ, так і газові палива з меншим октановим числом, такі як зріджений нафтовий газ, супутній нафтовий, шахтний метан, генераторний чи інші гази. Відома система регулювання частоти обертання транспортного газодизеля (Патент на корисну модель №27087, опубл. 10.10.2007, бюл. №16), що включає відцентровий датчик швидкості з рухомою муфтою, на якій шарнірно встановлений двоплечий важіль, одне плече якого зв'язано з важелем відключення подачі дизельного палива, а друге - з рейкою паливного насоса високого тиску, головний важіль, що взаємодіє з рухомою муфтою та через пружину з педаллю керування швидкісним режимом роботи двигуна, електронний блоком керування з щонайменше з одним мікроконтролером, що має електричний зв'язок з електромеханічним виконавчим органом, датчиком частоти обертання, перемикачем режиму роботи «дизель» чи «газодизель», індикаторами режиму роботи «дизель» чи «газодизель», запірними газовими клапанами, газовим редуктором, сенсором, газовими форсунками, при цьому електромеханічний виконавчий орган зв'язаний з повзуном, що через проміжну тягу зв'язаний з тягою рейки паливного насоса. Крім того, до кожного впускного патрубка газодизеля підводиться газове паливо від одної або більше газових форсунок. До того, електронний блок керування виконано з можливістю перепрограмування точок „запалювальної дози" дизельного палива. Крім того, електронний блок керування виконано з можливістю перепрограмування моменту та часу відкриття кожної газової форсунки. Також, електромеханічний виконавчий орган зв'язаний з датчиком зворотнього зв'язку положення електромеханічного виконавчого органу та має електричний зв'язок з електронним блоком керування. Крім того, електронний блок керування має електричний зв'язок з датчиком положення верхньої мертвої точки. До того, електронний блок керування має електричний зв'язок з датчиком тиску газового палива. Крім того, електронний блок керування має електричний зв'язок з датчиком температури відпрацьованих газів. Також, електронний блок керування має електричний зв'язок з датчиком температури охолодної рідини двигуна. До того, електронний блок керування має електричний зв'язок з датчиком наддуву. Крім того, педаль керування швидкісним режимом роботи двигуна зв'язана з датчиком положення педалі що має електричний зв'язок з електронним блоком керування. Недоліком конструкції таких систем живлення газовим паливом та регулювання частоти обертання (що мають у своєму складі механічний регулятор частоти обертання транспортного газодизеля) є відсутність можливості ефективного 91806 4 використання газових палив з октановим числом меншим ніж у природного газу, таких як ЗНГ, супутній нафтовий, шахтний метан, генераторний чи інших газів, у зв'язку з появою детонації при збільшенні навантаження на газодизель і зменшенні «запальній дозі» дизельного палива нижче 6075%, а також необхідність втручання в конструкцію штатного механічного регулятора частоти обертання для обмеження чи коригування «запальної дози» дизельного палива. В основу винаходу поставлена задача створити систему живлення та регулювання частоти обертання газодизеля, що за рахунок нових конструктивних елементів і зв'язків між ними дозволило б забезпечити можливість ефективного використання газових палив з октановим числом меншим ніж у природного газу, шляхом корекції «запалювальної дози» дизельного палива залежно як від швидкісного та навантажувального режимів газодизеля (розрахунку величини «запалювальної дози» та на підставі цього проведення автоматичної корекції координат точок «запалювальної дози» дизельного палива), так і корекції в бік збільшення «запалювальної дози» при виникненні детонації чи при різкому натисненні на важіль керування швидкісним режимом роботи двигуна («дизельна підтримка») при роботі за газодизельним циклом (на дизельному та газовому паливі одночасно), а також забезпечити всережимность системи регулювання двигуна при роботі як за дизельним, так і за газодизельним циклами, або інших видів регулювання за газодизельним циклом (наприклад дворежимного чи іншого). Поставлена задача вирішується тим, що система живлення та регулювання частоти обертання газодизеля, що включає газовий балон(ни) що через балонну арматуру (що містить запірний механічний та електромагнітний газові клапани) з'єднаний з одного боку з заправним вузлом, а з іншого боку через газову магістраль, магістральний електромагнітний газовий клапан, газовий редуктор чи редуктор-випарник, газовий фільтр, загальною газовою рейкою (common rail) з газовими форсунками, при цьому кожна з газових форсунок за допомогою патрубка з'єднана з газовим соплом, що встановлено у кожному випускному патрубку між об'єднуючою трубою впускного колектора та впускним каналом, до того з газовий редуктором чи редуктором-випарником пневмо - магістраллю через сопло зв'язаний об'єднуючою трубою випускного колектора, а також штатний механічний регулятор частоти обертання прямої дії (встановлений на паливний насос високого тиску) з важелем керування регулятором (зв'язаним з педаллю керування швидкісним режимом роботи двигуна) та важелем відключення подачі дизельного палива, згідно з винаходом, система регулювання додатково обладнана датчиком детонації (встановленим на газодизелі) та спеціальним електронним блоком керування з щонайменше з одним мікроконтролером, що має електричний зв'язок з датчиком детонації, перемикачем режиму роботи «дизель» чи «газодизель», індикаторами режиму роботи «дизель» чи «газодизель», запірними електромагнітними газовими клапанами, газовим редуктором 5 чи редуктором-випарником, газовими форсунками, датчиком положення верхньої мертвої точки, датчиком тиску газового палива, датчиком температури відпрацьованих газів, датчиком температури охолодної рідини двигуна, датчиком тиску наддуву, при цьому електромеханічний виконавчий орган зв'язаний з важелем відключення подачі дизельного палива. Крім того, електронний блок керування виконано з можливістю розрахунку величини «запалювальної дози» дизельного палива. Крім того, електронний блок керування виконано з можливістю розрахунку моменту та часу відкриття кожної газової форсунки. Крім того, до кожного впускного патрубка газодизеля підводиться газове паливо від щонайменше одної газової форсунки. Крім того, електромеханічний виконавчий орган зв'язаний з датчиком зворотнього зв'язку положення електромеханічного виконавчого органу і мають електричний зв'язок з електронним блоком керування. Крім того, педаль керування швидкісним режимом роботи двигуна зв'язана з датчиком положення педалі що має електричний зв'язок з електронним блоком керування. На Фіг.1 представлена кінематична схема системи живлення зрідженим газовим паливом та регулювання частоти обертання транспортного газодизеля із змінною «запальною дозою» дизельного палива, а на Фіг.2 представлена кінематична схема системи живлення стисненим газовим паливом та регулювання частоти обертання транспортного газодизеля із змінною «запальною дозою» дизельного палива. Система живлення зрідженим газовим паливом та регулювання частоти обертання газодизеля із змінною «запальною дозою» дизельного палива (що представлена на Фіг.1) містить газодизель 1 паливний насос високого тиску (ПНВТ) 2 з рейкою 3, всережимний механічний регулятор (BMP) 4 до складу якого входять: рухомий упор 5 рейки 3 ПНВТ, що встановлений на валику 6 важеля 7 виключення подачі дизельного палива та важіль 8 керування BMP 4. Важіль 7 виключення подачі дизельного палива кінематично зв'язаний з електромеханічним виконавчим органом 9, який кінематично пов'язаний з датчиком зворотнього зв'язку 10 положення електромеханічного виконавчого органу. До того важіль 6 керування BMP 4 кінематично зв'язаний з педаллю 11 керування швидкісного режиму роботи двигуна, яка у свою чергу кінематично зв'язана з датчиком 12 її положення. Газова магістраль 13 через блок арматури балона (мультиклапан) 14 (з вбудованим запірним електромагнітним клапаном 15) з одного боку під'єднана до газового балона 16 (у якому газове паливо знаходяться у зрідженому агрегатному стані), а з другого боку через: запірний електромагнітний клапан - фільтр 17, газовий редукторвипарник 18 та газовий фільтр 19 до рейки 20 (common rail) з газовими форсунками 21. Крім того, блок арматури балона (мультиклапан) 14 газопроводом 22 під'єднай до заправного вузла 23. 91806 6 Для стиснених газових палив елементи системи живлення для заправлення стисненим газовим паливом системи живлення та збереження його на борту транспортного засобу, а також подальшого його редукування представлені на Фіг.2. Газова магістраль 13 через балонний вентиль 14 (з запірним електромагнітним клапаном 15) з одного боку під'єднана до газового балона 16 (у якому знаходяться стиснене газове паливо), а з другого боку через: магістральний електромагнітний клапан 17, газовий редуктор 18 та газовий фільтр 19 до рейки 20 (common rail) з газовими форсунками 21. Крім того, в газовій магістралі 13 встановлено датчик 22 тиску газу, а заправний вузол 23 змонтовано на магістральному електромагнітному клапані 17. Ці елементи системи живлення стисненим газовим паливом (з номерами від 14 по 19 та 22 і 23) аналогічні за функціональним призначенням елементам системи живлення зрідженим газовим паливам які представлені на Фіг.1. Всі інші елементи систем живлення зрідженим (Фіг.1) чи стисненим (Фіг.2) газовим паливом та регулювання частоти обертання газодизеля із змінною «запальною дозою» дизельного палива однакові і мають однакову назву та нумерацію. Кожна з газових форсунок 21 за допомогою патрубка 24 з'єднана з газовим соплом 25, що встановлено у кожному впускному патрубку 26 між об'єднуючою трубкою 27 впускного колектора, та впускним каналом 28. До того рейка 20 містить датчик 29 тиску та температури газового палива. У свою чергу, газовий редуктор-випарник (для зріджених газових палив) чи газовий редуктор (для стиснених газових палив) 18 пневмо - магістраллю 30 через сопло 31 зв'язан з об'єднуючою трубкою 27 впускного колектора. До того, на об'єднуючої трубі 27 впускного колектора для газодизелів з наддувом повітря встановлено датчик 32 тиску наддуву. У випускному колекторі 33 газодизеля 1 встановлений датчик температури 34 відпрацьованих газів. До того, газодизель 1 обладнано датчиками: температури 35 охолодної рідини, частоти обертання 36 газодизеля, положення верхньої мертвої точки 37 та детонації 38. Електронний блок керування 39 з мікроконтролером(ами) має електричний зв'язок з електромеханічним виконавчим органом 9, датчиком зворотного зв'язку 10 положення електромеханічного виконавчого органу, датчиком 12 положення педалі, запірним електромагнітним клапаном - фільтром 17 (для зріджених газових палив) чи магістральним електромагнітним клапаном 17 (для стиснених газових палив), електромагнітними клапанами на газовому редукторі-випарнику 18 (для зріджених газових палив) чи газовому редукторі 18 (для стиснених газових палив), газовими форсунками 21, датчиком 29 тиску та температури газового палива, датчиком 32 тиску наддуву (для газодизелів з наддувом), датчиком температури відпрацьованих газів 34, датчиком температури охолодної рідини двигуна 35 (датчик може бути встановлений як на двигуні, так і на редукторівипарнику чи газовому редукторі), датчиком частоти обертання 36, датчиком 37 положення верхньої 7 мертвої точки, датчиком детонації 38, перемикачем 40 режиму роботи «дизель» чи «газодизель», індикатором режиму роботи 41 «дизель» та індикатором режиму роботи 42 «газодизель». Крім того, електронний блок керування 38 з мікроконтролером(ами) виконано з можливістю перепрограмування координат точок запрограмованої „запалювальної дози" дизельного палива та величини циклової подачі газового палива форсунками 21 за допомогою комп'ютера 41 чи іншого приладу. Працює система живлення газовим паливом та регулювання частоти обертання газодизеля у такий спосіб. Для роботи за дизельним циклом (на одному дизельному паливі) перемикач 40 режиму роботи «дизель» чи «газодизель» має бути у положенні що відповідає режиму роботи «дизель». При цьому електронний блок керування 39 подає сигнал на електромеханічний виконавчий орган 9, що повертає важіль 7 виключення подачі дизельного палива проти годинникової стрілки. В наслідок цього, рухомий упор 5 рейки 3 ПНВТ 2, що встановлений на валику 6 важеля 7 виключення подачі дизельного палива, також повертається проти годинникової стрілки на відстань (що на рис 1. показано пунктирною лінією) і дає можливість рейці 3 ПНВТ 2 вільно пересуватися в межах свого максимального ходу. Одночасно з цим, рейка 3 під дією BMP 4 пересуваються вліво, в положення що відповідає швидкісному та навантажувальному режиму роботи двигуна. Разом з цим, електронний блок керування 38 знімає напругу з запірних електромагнітних клапана 15 та клапана - фільтра 17 (для зріджених газових палив) чи магістрального електромагнітного клапана 17 (для стиснених газових палив), електромагнітних клапанів на газовому редукторі-випарнику 18 (для зріджених газових палив) чи газовому редукторі 18 (для стиснених газових палив), а також з газових форсунок 21. В наслідок цього перекривається подача газового палива до газового редуктора-випарника чи газового редуктора 18, газового фільтра 19, рейки 20 та газових форсунок 21. До того, електронний блок керування 39 підключає індикатор режиму роботи 41 «дизель» (який сигналізує що двигун працює у режимі роботи «дизель») і відключає індикатор режиму роботи 42 «газодизель». Необхідний швидкісний режим задається педаллю 11 керування швидкісного режиму роботи двигуна. При збільшенні навантаження на двигун зменшується частота обертання його колінчастого валу. При цьому під дією BMP 4 (що працює як штатний BMP) рейка 3 пересувається вліво, у бік збільшення подачі дизельного палива. Потужність двигуна збільшується до рівня, відповідного потужності навантаження, що діє на нього. При зменшенні навантаження на двигун (зростає частота обертання його колінчастого валу), рейка 3 під дією BMP 4 пересувається вправо (у бік зменшення подачі дизельного палива), внаслідок чого потужність двигуна зменшується до рівня, відповідного потужності навантаження, що діє на нього. При значному зростанні частоти обертання BMP 4 повністю вимикає подачу дизельного палива. Еле 91806 8 ктромеханічний виконавчий орган 9 не перешкоджає руху рейки 3 (вліво або вправо), оскільки рухомий упор 5 рейки 3 ПНВТ 2, що встановлений на валику 6 важеля 7 виключення подачі дизельного палива, знаходиться у крайньому лівому положенні і не заважає рейці 3 ПНВТ 2 вільно пересуватися в межах свого максимального ходу. Для роботи за газодизельним циклом (одночасно на дизельному та газовому паливах) перемикач 40 режиму роботи «дизель» чи «газодизель» має бути у положенні, що відповідає режиму роботи «газодизель». При цьому електронний блок керування 39 подає сигнал на електромеханічний виконавчий орган 9, що повертає важіль 7 виключення подачі дизельного палива за годинниковою стрілкою. В наслідок цього, рухомий упор 5 рейки 3 ПНВТ 2, що встановлений на валику 6 важеля 7 виключення подачі дизельного палива, також повертається за годинниковою стрілкою і займає положення що відповідає величині запрограмованої «запалювальної дози» дизельного палива визначеної електронним блоком керування 39 у відповідності з даним швидкісним та навантажувальним режимами роботи двигуна. Одночасно з цим електронний блок керування 39 подає сигнал до запірних електромагнітних клапана 15 та клапана - фільтра 17 (для зріджених газових палив) чи магістрального електромагнітного клапана 17 (для стиснених газових палив), електромагнітних клапанів на газовому редукторівипарнику 18 (для зріджених газових палив) чи газовому редукторі 18 (для стиснених газових палив), а також до газових форсунок 21. Електромагнітні клапани 15 та 17 відкриваються, пропускаючи газове паливо до газового редуктора-випарника 18 (у якому зріджене газове паливо перетворюється із зрідженого до газового стану з одночасним зменшенням його тиску) чи до газового редуктора 18 (у якому зменшується тиск стисненого газового палива) і далі до фільтра 19, рейки 20 (common rail) та газових форсунок 21. При цьому газовий редуктор-випарник (чи газовий редуктор) 18 редуктор стабілізує тиск газу на рейці 20 (common rail) газових форсунок 21. До того, електронний блок керування 39 управляє відкриттям кожної газової форсунки 21, від якої газ через патрубок 24 потрапляє до сопла 25 і далі через впускний патрубок 26 та впускний канал 28 (де газ змішується з повітрям) газоповітряна суміш потрапляє до циліндрів двигуна 1, де вона підпалюється «запальною дозою» дизельного палива впорскнутого штатною форсункою. При цьому час та момент відкриття газових форсунок 21 визначається електронним блоком керування 38 за результатами опитування датчиків 10, 12, 29, 32 (разі наявності), 34, 35, 36, 37 та 38. До того, електронний блок керування 39 підключає індикатор режиму роботи 42 «газодизель» (який сигналізує що двигун працює у режимі роботи «газодизель») і відключає режиму роботи 41 «дизель». Необхідний швидкісний режим задається, як і при роботі на одному дизельному паливі за допомогою педалі 11 керування швидкісного режиму роботи двигуна. 9 При збільшенні навантаження на двигун зменшується частота обертання його колінчастого валу. При цьому під дією BMP 4 рейка 3 намагається пересунутися вліво, у бік збільшення подачі дизельного палива. Але внаслідок того, що рухомий упор 5 (встановлений на валику 6 важеля 7) під дією електромеханічного виконавчого органу 9 (що повертає важіль 7) зайняв положення що відповідає величині розрахованої електронним блоком керування 39 «запалювальної дози» дизельного палива, рейка 3 опираючись на рухомий упор 5, також займає таке положення. При цьому, електронний блок керування 39 управляє газовими форсунками 21 таким чином, що подача газового палива, що потрапляє до кожного з циліндрів газодизеля 1, збільшується у відповідності з даним швидкісним та навантажувальним режимами роботи двигуна. При зменшенні навантаження на двигун (зростає частота обертання його колінчастого валу) і рейка 3 під дією BMP 4 намагається пересуватися вправо (у бік зменшення подачі дизельного палива), але продовжує контактувати з рухомим упором 5 до того часу, поки подача дизельного палива (під дією BMP 4) не зрівняється з подачею «запалювальної дози» дизельного палива (що визначається електронним блоком керування 39). При цьому зменшення потужності газодизеля відбувається за рахунок зменшення подача газового палива, що подається газовими форсунками 21 до кожного з циліндрів газодизеля 1 відповідно сигналів управління електронного блоку керування 39. Внаслідок цього потужність двигуна зменшується до рівня, відповідного потужності навантаження, що діє на нього. При подальшому зменшенні навантаження, частота обертання газодизеля 1 буде зростати і в той час коли подача дизельного палива (під дією BMP 4) зрівняється з подачею «запалювальної дози» дизельного палива (що визначається електронним блоком керування 39), форсунки 21 за сигналами електронного блоку керування 39 відключають подачу газового палива. Рейка 3 під дією BMP 4 почне відходити від рухомого упора 5 і рухатися вправо у бік повного виключення подачі дизельного палива. При різкому натисненні на педаль 11 керування швидкісним режимом роботи двигуна («дизельна підтримка») електронний блок керування 39 за сигналом з датчика 12 її положення розраховує величину прискорення переміщення педаль 11 і на період дії (наперед заданої величини) прискорення підвищує величину подачі «запалювальної дози» дизельного палива (одночасно зменшуючи величину подачі газового палива). Це дає можливість більш швидко підвищити частоту обертання газодизеля при підвищенні навантаження на нього, що необхідно наприклад у разі термінового прискорення транспортного засобу при початку руху з місця чи при терміновому підвищенні швидкості його руху. При зменшенні кількості (рівня) газового палива в газовому балоні 16 (для зріджених газових палив, що визначається покажчиком рівня мультиклапана 14), або падінні рівня тиску газового па 91806 10 лива (для стиснених газових палив, що визначається датчиком тиску 22 газового палива), до наперед заданого, за цим сингалом, електронний блок керування 39 автоматично переводить двигун з режиму роботи «газодизель» у режим роботи «дизель». При цьому індикатор режиму роботи 41 «дизель» включається, а індикатор режиму роботи 42 «газодизель» виключається. За сигналом датчика температури відпрацьованих газів 34 при підвищенні температури відпрацьованих газів чи за сигналом датчика детонації 38 електронний блок керування 39 подає сигнал до газових форсунок 21 на зменшення подачі газового палива та одночасно на електромеханічний орган 9, що повертає важіль 7 виключення подачі дизельного палива та рухомий упор 5 рейки 3 ПНВТ 2 (встановлений на валику 6 важеля 7 виключення подачі дизельного палива) проти годинникової стрілки в бік збільшення величини «запальної дози» дизельного палива. У разі подальшого зростання температури відпрацьованих газів (більше попередньо заданої) чи продовження детонації, електронний блок керування 39, автоматично переводить двигун з режиму роботи «газодизель» у режим роботи «дизель». При підвищення температури охолодної рідини двигуна більше попередньо заданої, за сигналом датчика температури охолодної рідини 35, електронний блок керування 39, автоматично переводить двигун з режиму роботи «газодизель» у режим роботи «дизель». До того, при запуску двигуна, і переведенні перемикача 40 режимів роботи у положення «газодизель», двигун перейде з режиму роботи «дизель» у режим роботи «газодизель» тільки тоді, коли температура охолодної рідини що визначається датчиком 35 для електронного блоку керування 39, стане більше наперед заданої. Застосування запропонованого регулятора дозволяє: використовувати як дизельне, так і газові палива (з октановим числом меншим ніж у природного газу) із забезпеченням всережимності системи регулювання двигуна при роботі як за дизельним, так і за газодизельним циклами, або інших видів регулювання при роботі за газодизельним циклом (наприклад дворежимного чи іншого); можливість коректування «запалювальної дози» дизельного палива в залежності від швидкісного та навантажувального режимів роботи двигуна (що дозволяє зменшити витрати дизельного палива при роботі за газодизельним циклом); забезпечити рівномірність подачі газового палива до кожного з циліндрів газодизеля (за рахунок точного впорскування газовими форсунками необхідної циклової подачі газового палива для кожного швидкісного та навантажувального режимі роботи), що приведе до зменшення витрат газового палива та поліпшення екологічних показників газодизеля; можливість коректування «запалювальної дози» дизельного палива за сигналом датчика положення педалі керування швидкісним режимом роботи двигуна при різкому натисненні на педаль («дизельна підтримка»), що дозволяє більш швидко підвищити частоту обертання при підвищенні навантаження на газодизель; можли 11 вість коректування «запалювальної дози» дизельного палива за сигналом датчика температури відпрацьованих газів (при підвищенні температури 91806 12 відпрацьованих газів) чи за сигналом датчика детонації, що дозволяє уникнути аварії двигуна при роботі за газодизельним циклом. 13 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 91806 Підписне 14 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601