система центрального впрыска газа для двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Система центрального впрыска газа двигателя внутреннего сгорания, содержащая источник сжатого газа с заправочным устройством, газовый редуктор, электромагнитный газовый клапан, карбюратор-смеситель и переключатель вида топлива, связанный электрической цепью с катушкой зажигания, микропроцессорным блоком управления топливоподачей и зажиганием и электромагнитным бензиновым клапаном, отличающаяся тем, что она снабжена регулятором давления, сообщенным с электромагнитной форсункой, размещенной перед дроссельной заслонкой, контуром регистрации параметров расхода газа, снабженным датчиком частоты вращения коленчатого вала и датчиком массового расхода воздуха, подключенным к газовой форсунке, датчик расхода воздуха выполнен в виде нити накаливания, снабжен дополнительной термокомпенсационной нитью и устройством регистрации и поддержания ее температуры в заданных пределах, микропроцессорный блок управления содержит усилитель напряжения, усилитель мощности и функциональный преобразователь, связанный электрической цепью с датчиком расхода воздуха, усилителем напряжения и с датчиками внешней среды, газовая форсунка выполнена в виде входного и выходного патрубков и снабжена плоским подвижным якорем с дозирующими калиброванными отверстиями, нагруженными пружиной со стороны входного патрубка и электромагнитной катушкой с выводами, газовый редуктор снабжен редуцирующими полостями высокого, среднего и низкого давления, выходной полостью, промежуточной камерой, первой и второй командными полостями, первой и второй рабочими полостями, сообщенными между собой посредством рабочего канала, дополнительная полость компенсационной системы сообщена с первой рабочей полостью и снабжена мембраной, кинематически связанной с запорным элементом, первый регулирующий элемент размещен между полостями среднего и низкого давления, редуцирующие полости выполнены в едином корпусе, причем полость среднего давления сообщена при помощи соединительного канала с первой рабочей полостью, первый регулирующий элемент выполнен в виде усеченного конуса, сопряженного меньшим основанием с цилиндрическим соединительным каналом, сообщенным с выходной полостью, а большим основанием - с рабочим каналом, снабженным со стороны второй командной полости торцевой стенкой с выполненными в ней по меньшей мере тремя жиклерами, сопло промежуточной камеры редуктора снабжено жиклером, размещенным соосно второму регулирующему элементу с выходом в рабочий канал, а промежуточная камера через пусковой вентиль и устройство управления сообщена с полостью среднего давления и через регулируемый канал сообщена с выходной полостью, в последней установлена мембрана, образующая вторую командную и вторую рабочие полости, полость среднего давления сообщена с полостями высокого и низкого давления.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что газовая форсунка размещена между корпусами поплавковой и смесительной камер карбюратора смесителя.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что заправочное устройство снабжено манометром высокого давления, штуцерами заправки и расхода газа, выполненными в одном блоке, и сообщено с источником сжатого газа и газовым редуктором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к системам центрального впрыска газа, и может быть использовано в системах питания двигателей внутреннего сгорания.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является система, содержащая источник сжатого газа с заправочным устройством, газовый редуктор, электромагнитный газовый клапан, карбюратор-смеситель и переключатель вида топлива, связанный электрической цепью с катушкой зажигания, микропроцессорным блоком управления топливоподачей и зажиганием и электромагнитным бензиновым клапаном. (см. патент СССР N 1838653, МПК 6 F 02 M 21/02, 1993).

Недостаток этой системы питания обусловлен низким быстродействием системы топливоподачи, связанной с ее неспособностью быстро изменять количество горючей смеси в соответствии с различным изменением нагрузки, а также недостаточной надежностью работы из-за обмерзания проходных каналов входной ступени редуктора в процессе редуцирования влажного газа.

Задачей данного изобретения является создание системы центрального впрыска газа для двигателя внутреннего сгорания с более высоким быстродействием и надежной ее работой.

Сущность изобретения заключается в том, что система центрального впрыска газа для двигателя внутреннего сгорания содержит источник сжатого газа с заправочным устройством, газовый редуктор, электромагнитный газовый клапан, карбюратор-смеситель и переключатель вида топлива, связанный электрической цепью с катушкой зажигания, микропроцессорным блоком управления топливоподачей и зажиганием и электромагнитным бензиновым клапаном, кроме того, она снабжена регулятором давления, сообщенным с электромагнитной форсункой, размещенной перед дроссельной заслонкой, контуром регистрации параметров расхода газа, снабженным датчиком частоты вращения коленчатого вала и датчиком массового расхода воздуха, подключенным к газовой форсунке, датчик расхода воздуха выполнен в виде нити накаливания, снабжен дополнительной термокомпенсационной нитью и устройством регистрации и поддержания ее температуры в заданных пределах, микропроцессорный блок управления содержит усилитель напряжения, усилитель мощности и функциональный преобразователь, связанный электрической цепью с датчиком расхода воздуха, усилителем напряжения и с датчиками внешней среды, газовая форсунка выполнена в виде входного и выходного патрубков и снабжена плоским подвижным якорем с дозирующими калиброванными отверстиями, нагруженными пружиной со стороны входного патрубка и электромагнитной катушкой с выводами, газовый редуктор снабжен редуцирующими полостями высокого, среднего и низкого давления, выходной полостью, промежуточной камерой, первой и второй командными полостями, первой и второй рабочими полостями, сообщенными между собой посредством рабочего канала, дополнительная полость компенсационной системы сообщена с первой рабочей полостью и снабжена мембраной, кинематически связанной с запорным элементом, первый регулирующий элемент размещен между полостями среднего и низкого давления, редуцирующие полости выполнены в едином корпусе, причем полость среднего давления сообщена при помощи соединительного канала с первой рабочей полостью, первый регулирующий элемент выполнен в виде усеченного конуса, сопряженного меньшим основанием с цилиндрическим соединительным каналом, сообщенным с выходной полостью, а большим основанием - с рабочим каналом, снабженным со стороны второй командной полости торцевой стенкой с выполненными в ней по меньшей мере тремя жиклерами, сопло промежуточной камеры редуктора снабжено жиклером, размещенным соосно второму регулирующему элементу с выходом в рабочий канал, а промежуточная камера через пусковой вентиль и устройство управления сообщена с полостью среднего давления и через регулируемый канал сообщена с выходной полостью, в последней установлена мембрана, образующая вторую командную и вторую рабочие полости, полость среднего давления сообщена с полостями высокого и низкого давления.

Газовая форсунка может быть размещена между корпусами поплавковой и смесительной камер карбюратора-смесителя;

заправочное устройство может быть снабжено манометром высокого давления, штуцерами заправки и расхода, выполненными в одном блоке, и сообщено с источником сжатого газа и газовым редуктором.

Изобретение поясняется чертежами, где

на фиг. 1 представлена принципиальная схема системы впрыска газа для двигателя внутреннего сгорания;

на фиг. 2 - принципиальная схема газового редуктора;

на фиг. 3 - конструктивная схема электромагнитной форсунки;

на фиг. 4 - принципиальная схема датчика расхода воздуха;

на фиг. 5 показан вид сверху на фиг. 5;

на фиг. 6 - функциональная схема системы центрального впрыска газа в двигатель внутреннего сгорания;

на фиг. 7 - принципиальная электрическая схема управления процессами топливоподачи и зажигания.

Система впрыска газа содержит источник сжатого газа 1 (газовые баллоны) с заправочным устройством 2, снабженным манометром 3 высокого давления, штуцерами 4 и 5 заправки и расхода газа соответственно, выполненными в одном блоке, и сообщенным через трубопровод 6 высокого давления, снабженный компенсатором 7, с газовым редуктором высокого давления 8, снабженным газовым электромагнитным и пусковым клапанами 9 и 10 соответственно.

Регулятор давления газа 11 при помощи трубопровода 12 низкого давления сообщен с электромагнитной форсункой 13, размещенной перед дроссельной заслонкой 14. С другой стороны регулятор давления 11 газа при помощи трубопровода 15 управления сообщен с задроссельным пространством 16 карбюратора-смесителя 17. Переключатель 18 вида топлива связан электрической цепью с катушкой 19 зажигания, электромагнитным бензиновым клапаном 20, сообщенным через бензопровод 21 с поплавковой камерой 22 карбюратора-смесителя 17. Микропроцессорный блок 23 управления топливоподачей и зажиганием связан электрической цепью с датчиком 24 массового расхода воздуха, размещенным в приемном патрубке 25 перед воздушным фильтром 26, через функциональный преобразователь 27.

Датчик частоты вращения коленчатого вала выполнен в виде бесконтактного устройства определения момента зажигания и представляет собой обмотку 28, размещенную коаксиально высоковольтному проводу и сообщенную с блоком управления 23.

Газовый редуктор 8 (фиг. 2) содержит корпус 29 с полостями 30 и 31 соответственно среднего и низкого давления, с размещенным между ними первым регулирующим элементом 32, нагруженным пружиной 33, размещенной в регулировочной втулке 34, и связанным через вращающийся на оси 35 рычаг 36, шток и подвижную ось 37 с управляющей мембраной 38, образующей с корпусом 29 и его крышкой 39 первую командную и первую рабочую полости 40 и 41 соответственно. В выходной полости 42 установлена вторая мембрана 43, образующая с крышкой 44 вторую командную и рабочую полости 45 и 46 соответственно. Вторая командная полость 45 через штуцер 47 сообщена с впускным трубопроводом двигателя (не показан).

Первый регулирующий элемент выполнен в виде усеченного конуса 48, сопряженного меньшим основанием с цилиндрическим каналом 49, сообщенным с выходной полостью 42, а большим основанием - с рабочим каналом 50, сообщенным через жиклеры 51 с выходной полостью 42, с рабочей полостью 41 и через жиклер 52, размещенный соосно второму регулирующему органу - соплу 53 с промежуточной камерой 54. Последняя через пусковой вентиль 55 с уплотнителем и устройством управления 56, нагруженным пружиной 57, сообщена через канал 58 с полостью 30 среднего давления. Одновременно с этим промежуточная камера 54 через регулируемый с помощью винта 59 канал 60 с выходным соплом 61 сообщена с выходной полостью 42.

Второй регулирующий элемент содержит сопло 53, сообщенное через жиклер 52 с рабочим каналом 50 и с промежуточной камерой 54, соединенной через пусковой вентиль 55 с устройством управления 56 и полостью 30 среднего давления.

Компенсационная система содержит дополнительную полость 62, выполненную в корпусе 29 и содержащую мембрану 63, нагруженную конической пружиной 64 и кинематически связанную через шток 65 и двуплечий рычаг 66, вращающийся на оси 67, с запорным элементом 68 с уплотнителем 69. Полость 30 среднего давления через канал 70, размещенный в седле 71, сообщена с полостью 31 низкого давления, а через канал 72 сообщена с полостью высокого давления, размещенной в корпусе 73 ступени высокого давления, снабженном входным каналом 74. Дополнительная полость 62 сообщена с рабочей полостью 41 с помощью соединительного канала 75. Полость 31 сообщена с выходной полостью 42 с помощью канала 76.

Форсунка (фиг. 3) представляет собой быстродействующий клапан с электромагнитным управлением. Она содержит корпус 77 с размещенной в ней катушкой 78 с выводами 79 и изолятором 80, входной патрубок 81 с входным газовым каналом 82, сообщенным с регулятором давления, выходной патрубок 83 с седлом 84 и выходным газовым каналом 85. Плоский якорь 86 снабжен дозирующими калиброванными отверстиями 87 и размещен с образованием зазора 88, ограничивающего ход якоря.

Якорь 86 нагружен пружиной 89 со стороны входного патрубка 81, размещенной в сердечнике 90.

Конструктивный параметр (КП) газовой электромагнитной форсунки 13 может быть определен по следующей зависимости:



где P_э - величина тягового усилия электромагнита катушки 78 (на первом этапе ее выбирают ориентировочно);

H; _я - высота подъема якоря, м.

Датчик (фиг. 4) расхода воздуха содержит корпус 91 с отверстиями 92 для крепления и центральное отверстие 93 для прохода воздушного потока, нить накаливания 94 чувствительного элемента, нить 95 термокомпенсационного элемента, снабженные ножками 96 и 97 соответственно, подключенные к электрической схеме, и устройство регистрации и поддержания температуры в заданных пределах.

Микропроцессорный блок управления 23 (фиг. 6) содержит функциональный преобразователь 27, сообщенный с датчиком 24 расхода воздуха, усилитель напряжения 98, усилитель мощности 99, сообщенный с форсункой 13. Корректор 100 опережения угла опережения зажигания связан с системой зажигания 101 и функциональным преобразователем 27. Датчики внешней среды 102 сообщены с усилителем напряжения 98 и функциональным преобразователем 27.

Функциональный преобразователь 27 выполнен в виде операционного усилителя 103 и диодной ячейки 104 и связан с датчиками внешней среды 102, датчиком расхода воздуха 24 и корректором 100 величины угла опережения зажигания.

Система управления 1 опережением зажигания является штатной электронной системой, устанавливаемой на автомобиле.

Датчиками внешней среды могут быть параметры влажности воздуха, состава ОГ, температуры ОГ и охлаждающей жидкости и других параметров среды, к которой необходимо адаптироваться.

Усилитель мощности 99 выполнен в виде транзистора 105, работающего в классе A или как усилитель с широко-импульсной модуляцией.

Транзистор 105 связан с обмоткой 78 катушки электромагнитной форсунки 13 и выходом регулятора напряжения.

Усилитель напряжения 98 выполнен в виде операционного усилителя 106, связанного электрической цепью с датчиком расхода воздуха, усилителем 99 и функциональным преобразователем 27.

Система 107 регулирования заданной температуры датчика расхода воздуха содержит нити накаливания и компенсации 94 и 95 соответственно, сообщенные с операционным усилителем 108 и транзистором 109.

Датчик 24 расхода воздуха действует по принципу термоанемометра, снабженного проволокой накаливания, температуру которой поддерживают с помощью системы 107 регулирования температуры. Количество теплоты, отводимое в воздушный поток, является функцией расхода воздуха.

Система центрального впрыска газа работает следующим образом.

В процессе заправки газ через открытый штуцер 4 заправочного устройства 2 поступает под давлением в газовый баллон 1. Величину наполнения газового баллона 1 контролируют по манометру 3 высокого давления. Расход газа осуществляется через открытый штуцер 5 расхода газа, сообщенный через трубопровод 6 с первой ступенью газового редуктора.

Сжатый (или сжиженный) газ под высоким давлением через входной канал 74, пройдя фильтр очистки газа, поступает в полость высокого давления. Далее очищенный газ проходит через впускной канал 72, отжимает уплотнитель 69 от седла и поступает в полость среднего давления, величина давления в которой поддерживается в пределах 1. ..1,1 МПа. В дальнейшем газ в зависимости от режима работы по каналу 70 поступает в полость низкого давления 31 или в промежуточную камеру.

При вращении коленчатого вала через впускной трубопровод в цилиндры двигателя всасывается воздух, массовый расход которого измеряется датчиками 24 массового расхода воздуха. С увеличением текущей мощности, развиваемой двигателем, возрастает соответственно расход воздуха. Сигнал с датчика 24 поступает на вход функционального преобразователя 27, выходной сигнал которого пропорционален расходу газа. Этот сигнал оптимален для текущей мощности двигателя и является заданием командного параметра для контура регулирования расхода газа. Функциональный преобразователь 27 реализует характеристику связи сигналов датчиков частоты вращения и расхода воздуха, обеспечивающую оптимальный состав горючей смеси во впускном трубопроводе во всем диапазоне уменьшения мощности двигателя.

Контур регистрации параметров расхода газа осуществляется путем подачи сигналов с датчиков соответственно массового расхода воздуха, частоты вращения и внешней среды на входы функционального преобразователя 27.

Контур регулирования расхода газа через функциональный преобразователь, усилитель напряжения 98 и усилитель мощности 99 открывает дозирующее калиброванное отверстие 87 газовой форсунки 13 с помощью сигнала, соответствующего сигналу, поданному на усилитель напряжения 98 с входа функционального преобразователя 27.

Усилитель мощности 99 подает также сигнал на корректор 100 величины угла опережения зажигания в зависимости от развиваемой мощности.

На входе функционального преобразователя 27 формируются импульсы, частота следования которых пропорциональна частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Импульсы переменной длительности, управляющие клапанами электромагнитных форсунок, формируются в микропроцессорном блоке 23.

Сигналы с датчиков воздушной среды позволяют адаптировать систему питания к параметрам, удовлетворяющим требованиям двигателя. При этом нелинейная адаптация достигается вводом сигналов датчиков 102 через входы функционального преобразователя 27, а линейная - через входы усилителя напряжения 98.

При нормальной работе двигателя в выходной полости 42 создается некоторое разрежения, которое по рабочему каналу 50 передается в первую рабочую полость 41 и путем деформации управляющей мембраны 38 вызывает пропорциональное открытие первого регулирующего элемента 32.

Выходящий под давлением газ из запорного элемента 68 создает некоторое давление в полости 30, передающееся с помощью соединительного канала 75 в первую рабочую полость 41, и воздействует на мембрану 38. В результате этого происходит прикрытие первого запорного элемента 32 под действием пружины 33. Таким образом происходит согласованная подача газа в зависимости от величины давления поступающего газа и режима работы двигателя.

На режимах пуска газ по каналу через открытый пусковой вентиль 55 поступает в промежуточную камеру 54. В дальнейшем вытекающий из сопла 53 через жиклер 52 газ поступает по рабочему каналу 50 в первую рабочую полость 41 и воздействует на мембрану 38.

Поток газа, выходящий из жиклера 52, делится в соотношении 2:1 между рабочим каналом 50 и выходной полостью 42. Деформация мембраны 43 происходит в результате разности давлений в выходной и второй командной полостях 42 и 45 соответственно, которые соответствуют давлениям во впускном трубопроводе над воздушным фильтром 26 и под ним. В этом случае создаются благоприятные условия для подачи газа при внезапной перегрузке двигателя пропорционально этой нагрузке, а после ее снятия происходит восстановление нормальной работы системы питания. Наличие на торцевой стенке рабочего канала 50 жиклеров 51 исключает деформацию второй мембраны 43, что повышает надежность работы системы питания в целом.

Регулирование подачи газа в двигатель осуществляется путем изменения продолжительности открытия клапана форсунки. Эксплуатационная настройка регулятора 11 осуществляется с помощью регулировочного винта вращением его в ту или иную сторону до тех пор, пока двигатель не начнет работать устойчиво на эксплуатационных режимах.

На режимах разгона газ из полости 30 среднего давления через соединительный канал под небольшим избыточным давлением поступает в первую рабочую полость 41, а затем через рабочий канал 50 и конус 48 в выходную полость 14 редуктора. Наличие компенсационной системы обеспечивает повышение быстродействия системы топливоподачи.

Воздушный поток, проходящий через воздушный приемный патрубок 25 в двигатель, обеспечивает изменение сопротивления нити накаливания 94 электрической цепи в зависимости от количества воздуха, поступающего в двигатель в единицу времени.

Изменение расхода воздуха сопровождается изменением величины сопротивления в электрической цепи при различной температуре и имеет линейный характер. Изменение температуры датчиком температуры сопровождается изменением выходного напряжения.

Этот сигнал поступает в перемножающее звено микропроцессорного блока 23, в котором сигналы частоты вращения и расхода воздуха за один ход поршня (цикловой расход воздуха) обеспечивают управление величиной подачи газа.

Количество засасываемого воздуха в цилиндры ДВС содержит информацию о параметрах, влияющих на необходимое количество топлива, поэтому в данной системе число корректирующих параметров уменьшается. Количество воздуха, поступающего в цилиндры двигателя за единицу времени, пересчитывается на один ход поршня путем деления его на частоту вращения коленчатого вала двигателя.

Ширина сигнала функционального преобразователя 27, управляющего делителем, содержит информацию, относящуюся к одному ходу поршня. Ширина импульса пропорциональна промежутку между двумя импульсами зажигания, т.е. обратно пропорциональна частоте вращения коленчатого вала.

Выходное напряжение расходомера воздуха поступает на вход функционального преобразователя 27, управляющего делением и определяющего ширину прямоугольных импульсов, появляющихся на его выходе.

Функциональный преобразователь 27 переключается под действием импульсов, поступающих от датчика частоты вращения (электрических импульсов).

Микропроцессорный электронный блок 23 управления позволяет на основе информации о частоте вращения коленчатого вала и количестве засасываемого воздуха осуществить управление электромагнитной форсункой 13.

Микропроцессорный блок 23 управления системой топливоподачи и зажигания работает в диапазоне от 6 до 16 В.

Управляющие сигналы поступают от датчика частоты вращения, расхода воздуха 24, температуры воздуха и охлаждающей жидкости.

Обработав их, микропроцессорный блок 23 формирует электрические импульсы напряжения определенной длительности для управления работой форсунки в зависимости от частоты вращения, а также корректирует длительность управляющих импульсов в зависимости от температуры охлаждающей жидкости воздуха на впуске.

Функциональный преобразователь предназначен для формирования управляющего импульса в соответствии с требуемой коррекцией. Функциональный преобразователь осуществляет обогащение горючей смеси, необходимое при пуске и прогреве двигателя, на режимах холостого хода и полной нагрузке.

Микропроцессорный блок управления 23 от стартера получает от датчиков 102 информацию о пуске двигателя и температурного датчика системы охлаждения, а также информацию о работе системы холостого хода и полной нагрузке двигателя.

Блок усиления мощности вырабатывает прямоугольные импульсы напряжения, необходимые для открытия на определенное время электронной впрыскивающей форсунки.

Функциональный преобразователь 27 реализует характеристику связи сигналов датчика частоты вращения и датчика 24 расхода воздуха, обеспечивающих оптимальный состав горючей смеси во впускном трубопроводе во всем диапазоне изменения эксплуатационных параметров двигателя.

Усилитель 98 напряжения также выдает сигнал на корректор 100 величины угла опережения зажигания в зависимости от развиваемой двигателем мощности. Сигналы с датчиков 102 внешней среды позволяют адаптировать систему питания к параметрам, удовлетворяющим требованиям двигателя. При этом нелинейная адаптация достигается вводом сигналов датчиков 102 через входы функционального преобразователя 27, а линейная - через входы усилителя 98 напряжения.

Таким образом описанная система центрального впрыска газа имеет более высокое быстродействие и надежность ее работы.