Способ управления работой топливной системы, топливная система для двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: топливные системы для подачи дозированного количества топлива в двигатель внутреннего сгорания. Сущность изобретения: способ управления работой топливной системы заключается в циклической работе насоса, подачи топлива в дозатор, регулируемый процессором, и последующей выдачи дозатором необходимой порции топлива. Особенность изобретения заключается в прерывистой работе насоса под управлением процессора для сохранения давления топлива в заданных пределах. Эти пределы устанавливают таким образом, что насос во время каждой операции подает порцию топлива больше, чем кратное одной максимально измеренной порции топлива, передаваемой дозатором. Причем определяют давление топлива в дозаторе и вводят в процессор сигнал, характеризующий измеренное давление. Предложена также топливная система, реализующая указанный способ. 2 с. и. 8 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к топливной системе для подачи дозированного количества топлива в двигатель внутреннего сгорания, применяющийся, в частности, в топливных системах, содержащих топливный инжектор, который может подавать топливо либо непосредственно в камеру сгорания двигателя, либо в систему всасывания воздуха.

Обычно в системе впрыска топлива имеется регулятор давления топлива, который поддерживает заданное давление подачи топлива, поскольку давление топлива имеет значение для процесса дозирования подачи топлива в двигатель. При использовании обычного регулятора давления необходимо обеспечить линию возврата топлива от регулятора к топливному баку, что увеличивает вдвое длину топливопровода между топливным баком и устройством для впрыска топлива. Увеличение длины топливопровода ведет к повышению расходов на материалы и их сборку, а также увеличивает риск возникновению утечки топлива под действием высокого давления.

С точки зрения безопасности и экономии желательно уменьшить протяженность топливопроводов между топливным баком и двигателем. Это особенно важно для двигателей, работающих в морских условиях, где просачивающееся топливо может скапливаться в замкнутом пространстве и создавать опасность возникновения пожара.

Важно также то, что тратится достаточно большая энергия на прокачку гораздо большего количества топлива, чем это требуется двигателю. Современные топливные насосы в системах впрыска топлива обычно приводятся электрическим током и работают непрерывно, что также ведет к значительному расходу электроэнергии на циркуляцию топлива. Такие потери энергии особенно характерны при низкой или средней нагрузке на двигатель или его скорости и поскольку энергия на приведение топливного насоса поступает прямо или косвенно от двигателя, потеря энергии на избыточную прокачку топлива имеют большое значение для расхода топлива двигателе.

Известны системы впрыска топлива, реализующие способ управления работой топливной системы, заключающийся в том, что топливный насос работает циклически, сохраняя постоянное давление подачи топлива в инжектор, при этом также исключается необходимость обеспечения линии возврата топлива от насоса к топливному баку или резервуару [1, 2].

В обоих предложениях необходимо, чтобы топливный насос работал в заданном цикле, связанном непосредственно с частотой впрыска, а это в свою очередь связано со скоростью двигателя. Насосу, работающему в заданном цикле такой высокой частоты, свойственна низкая эффективность прокачки, а значит и малоэффективный расход энергии. Кроме того, работа насоса в циклическом режиме высокой частоты существенно сокращает срок службы насоса.

Хотя в известной топливной системе [1] предусмотрен накопитель, находящийся после топливного насоса, тем не менее насос должен работать циклично при частоте, равной частоте впрыска. Накопитель предназначен только для сохранения заданного давления подачи топлива в инжектор и для преодоления задержек, вызванных механическими или гидравлическими факторами, которые препятствуют синхронности циклов инжектора и насоса.

Известна также топливная система для двигателя внутреннего сгорания, содержащая топливный насос для передачи топлива из топливного бака в дозатор, промежуточный резервуар, расположенный после насадок датчика, выдающий сигнал, показывающий давление топлива в промежуточном резервуаре, и процессор, принимающий и обрабатывающий каждый сигнал для поддержания давления топлива в промежуточном резервуаре в установленных пределах [3].

Недостаток известной системы заключается в недостаточно точном дозировании топлива.

Задачей изобретения является способ и устройство для подачи топлива в двигатель, обеспечивающие точное дозирование подачи топлива в двигатель в соответствии с его потребностью, а также позволяющее обойтись без линии возврата топлива под высоким давлением назад в топливный резервуар и повысить эффективность работы топливного насоса.

Для решения этой задачи согласно изобретению предлагается способ работы топливной системы, которая подает дозированные порции топлива в двигатель внутреннего сгорания, причем система содержит работающий циклический топливный насос, дозатор для приема топлива из насоса и процессор, регулирующий работу дозатора, подающего дозированные порции топлива в двигатель, при этом процессор определяет количество топлива, необходимое двигателю, в ответ на поступающие сигналы, характеризующие рабочие условия двигателя; предлагаемый способ включает прерывистую работу насоса, контролируемую процессором, для поддержания давления, подаваемого в дозатор топлива в рамках заданного уровня, причем уровни выбираются таким образом, чтобы насос во время каждой операции подавал порцию топлива больше кратного от одной максимальной дозе топлива передаваемой дозатором, определение давления топлива, поступающего в дозатор, и ввод в процессор сигнала, характеризующего измеренное давление, при этом процессор используют данный сигнал для регулирования дозатора таким образом, чтобы он выдавал заданную порцию топлива.

Оптимально топливо подается насосом в камеру, предпочтительно закрытую, из которой топливо поступает прямо в дозатор. Камера мажет работать как накопитель, а датчик давления передает входной сигнал, характеризующий давление топлива, поступающего в дозатор из накопителя, на процессор.

Процессор может регулировать работу топливного насоса в соответствии с входным сигналом давления таким образом, чтобы давление топлива в накопителе поддерживалось между заданным максимальным и минимальным значением. В другом варианте циклическая работа насоса может регулироваться поступающим в процессор сигналом, характеризующим уровень топлива в камере, или же датчик уровня топлива может непосредственно регулировать работу насоса.

Следует отметить, что давление топлива, поступающего в дозатор, влияет на скорость подачи топлива дозатором, а именно на скорость потока топлива через дозатор. Следовательно необходимо, чтобы процессор учитывал давление поступающего топлива при регулировании порции топлива, подаваемой в двигатель. Обычно дозатор содержит выборочно открывающееся отверстие или сопло и период открывания сопла или отверстия изменяется для регулирования порции топлива. Таким образом, изменение перепада давления в отверстии или сопле влияет на скорость потока топлива, если это отверстие или сопло открыто, и процессор может регулировать этот период в зависимости от давления топлива, поступающего в отверстие или сопло, а также от других рабочих параметров двигателя, обеспечивая правильную подачу топлива. Датчик давления топлива может в качестве альтернативы определять дифференциал давления подачи топлива и газа, в который поступает топливо во время дозирования. Этот сигнал может также использоваться процессором для точного дозирования топлива.

Предлагаемая система подачи топлива обладает тем преимуществом, что в ней не требуется применения линии возврата топлива под давлением из насоса, и насос работает только по действительной потребности двигателя в топливе, что дает значительную экономию энергии, которую в обычных условиях затратили бы просто на перекачку топлива из бака и последующего его возвращения назад в бак. Кроме того, поскольку процессор принимает сигнал, характеризующий действительное давление подаваемого топлива в дозатор, нет необходимости сохранять постоянное давление подачи топлива. Значит топливный насос может работать в нерегуляторном прерывистом режиме с достаточно большими интервалами времени между рабочими циклами, Насос может работать при обычной скорости с высокой эффективностью, низким общим расходом энергии и малым износом.

Кроме того, при использовании датчика, передающего сигнал, характеризующий действительное давление топлива в дозаторе на процессор, не требуется регулировка давления и сам процессор может точно регулировать работу дозатора, обеспечивая подачу в двигатель порции топлива, соответствующей его потребности, при любых давлениях подачи топлива.

В настоящее время используются системы впрыска топлива, в которых дозированное количество топлива поступает в двигатель, введенным в газ, как правило в воздух. В таких системах принято дозировать топливо во время подачи его в газ, а значит давление газа имеет значение для процесса дозирования топлива. Следовательно, если подающий топливо насос работает прерывисто, то для регулирования давления подачи топлива в дозаторе процессор можно использовать для изменения давления подачи топлива в ответ на изменения давления газа, в который дозируется топливо, для того, чтобы регулировать дифференциал давления между ними. Таким образом, можно сохранять постоянный дифференциал давления между топливом и газом. Или же можно определять дифференциал давления между топливом и газом и регулировать его, чтобы достичь постоянного дифференциала давления.

Желательно также при некоторых рабочих условиях двигателя изменять давление впрыска топлива или газо-топливной смеси в двигатель. Это может быть достигнуто с помощью предлагаемой системы подачи топлива благодаря ее способности изменять давление подачи топлива без отрицательного воздействия на процесс дозирования.

Согласно изобретению предлагается также топливная система для двигателя внутреннего сгорания, включающая топливный насос для передачи топлива из топливного бака в дозатор с использованием промежуточного резервуара после топливного насоса, датчик, выдающий сигнал, который характеризует давление топлива в промежуточном резервуаре, и процессор, который принимает и обрабатывает этот сигнал с тем, чтобы сохранить давление топлива в промежуточном резервуаре в заданных пределах путем выборочного включения и выключения топливного насоса. Предпочтительно, чтобы процессор также реагировал на давление подачи топлива в промежуточном резервуаре при регулировании работы дозатора, при этом на точность работы дозатора не должна отрицательно влиять цикличность работы насоса.

На чертеже показана схема топливной системы, применяемой, в частности, в морских двигателях.

Как видно из чертежа, несколько устройств для дозирования и впрыска топлива 10 расположено таким образом, что каждое из них подает топливо в соответствующий цилиндр или впускное отверстие цилиндра многоцилиндрового двигателя. Подразумевается, что число устройств для дозирования и впрыска топлива может меняться в зависимости от характера топливной системы, а также может использоваться единственное устройство даже для многоцилиндрового двигателя.

Каждое устройство дозирования и впрыска топлива 10 принимает топливо из общего топливопровода 11, в который топливо поступает из топливного бака 12. Поскольку изображенная установка предназначена для использования в морских условиях, топливный бак в свою очередь получает топливо из отдаленного топливного резервуара 13 через всасывающий насос 14. Топливный бак 12 снабжен поплавковым клапаном 9, который закрывается, предотвращая подачу топлива насосом 14, когда уровень топлива в баке 12 достигает заданной величины. Наличие топливного бака 12, всасывающего насоса 14 и поплавкового клапана 9 обусловлено инструкцией, действующей в США в отношении морских двигателей. Эти инструкции не касаются других установок, например автомобилей или других транспортных средств, в которых топливный бак 12 имеет обычную для этого вида транспорта конструкцию.

Нагнетательный топливный насос 15 откачивает топливо из бака 12 и подает его в накопитель 16 через топливный фильтр 17. Накопитель 16 имеет форму закрытой камеры как минимум с одной прогибающейся или подвижной стенкой 19, которая подпружинена пружиной 20 или подобным упругим элементом. Стенка 19 смещается или прогибается вверх, как это показано на чертеже, под давлением топлива, когда топливо подается в накопитель, и смещается или прогибается вниз под действием пружины, когда топливо выходит. Таким образом, давление топлива в накопителе может сохраняться в заданных пределах, когда топливо поступает из него в топливопровод 11, а оттуда в устройства для дозирования и впрыска топлива 10. Накопитель может быть выполнен таким образом, чтобы в нем сохранялось почти стабильное давление топлива при сохранении его уровня между заданными верхним и нижним пределами, при этом датчик положения выдает сигнал, характеризующий уровень топлива.

Датчик давления 18 реагирует на давление топлива в накопитель 16 и в любой точке выше него и ниже устройств 10 и выдает сигнал на вход в процессор (электронный блок управления (ЭБУ)) 22, который запрограммирован на включение и выключение насоса 15 с тем, чтобы поддерживать давление в накопителе 16 между заданным максимальным и минимальным уровнем. Таким образом, если скорость расхода топлива невысока, насос будет отключаться на длительное время до тех пор, пока из накопителя не будет израсходовано достаточное количество топлива, чтобы вызвать падение давления от максимального значения до минимального. Даже при максимальной скорости расхода топлива топливный насос будет циклически включаться и выключаться, так как емкость накопителя выбирается как кратное максимальной норме расхода топлива за цикл работы инжектора. Следует отметить, что подобная цикличность работы двигателя достигается, если ЭБУ 22 принимает сигналы от датчиков положения, характеризующих уровень топлива в баке. Емкость накопителя и допускаемое изменение давления или уровня топлива предпочтительно выбирается таким образом, чтобы даже при максимальной скорости расхода топлива насос включался через интервалы, соответствующие 50 или более подачам топлива инжекторами. Цикличность включения и выключения топливного насоса обеспечивает существенное снижение энергии топливной системой, особенно расхода электрической энергии, вырабатываемой синхронным генератором, который приводится двигателем. Эта экономия особенно значительна, когда двигатель работает при низких или средних нагрузках и/или скоростях.

Входной сигнал в ЭСУ 22 от датчика давления 18 используется также для регулирования дозатора 23, входящего в устройство для дозирования и впрыска топлива 10, чтобы при определении необходимой порции топлива для каждого впрыска учитывалось действительное давление топлива в данный момент. Это позволяет точно рассчитать необходимую периодичность открывания дозатора для подачи топлива в объеме, который согласно расчету отвечает потребностям двигателя.

Электронный блок управления также принимает обычные сигналы для определения потребности топлива, такие, как скорость двигателя, его нагрузка и температура.

Ввиду того, что насос 15 работает только в том случае, когда топливо требуется для поддержания заданного давления или уровня его подачи, нет необходимости в линии возврата от топливопровода 11 к топливному баку 12. Но в ряде случаев, например, если необходимо избежать накопления пара в топливопроводе 11, учитывая температуру окружающей среды, в которой расположен топливопровод, может быть желательным отвод небольшого количества топлива назад в бак 12. Для этого можно использовать подходящую линию возврата 21, которая содержит регулирующее поток сопло 24, подобранное таким образом, чтобы количество топлива, возвращаемого в бак 12, было достаточным только для предотвращения накопления пара в топливопроводе 11. В линии возврата 21 может быть установлен соленоидный клапан, который открывается по команде ЭБУ 22 в соответствии с заданным циклом или в ответ на рабочие параметры, такие, как температура двигателя, стартовые условия или температура топлива.

Вышеописанные способ и устройство для подачи топлива в двигатель могут использоваться в тех системах впрыска топлива, где в двигатель подается только топливо и газ, такой, как воздух, включая также системы, в которых дозированное количество топлива захватывается воздухом перед или во время впрыска. Типичная конструкция такой системы дозирования и впрыска топлива известна [4].

В системе впрыска топлива, в которой топливо дозируется в воздух, с которым оно поступает в двигатель, ЭБУ 22 может также принимать сигнал, характеризующий давление воздуха, который может использоваться для регулирования дозирования топлива. Также воздух при этом давлении, которое может быть ниже атмосферного, может использоваться на подвижной стенке 19 накопителя 16 для дополнения нагрузки, обеспечиваемой пружиной 20. В этом варианте используется заданное соотношение между давлением топлива в накопителе и давлением воздуха. На дозирование топлива положительно влияет сохранение стабильного дифференциала давления подачи топлива и воздуха. Может также быть желательным увеличение давления газа при высоких нагрузках на двигатель по сравнению с давлением при низких и средних нагрузках или в сравнении со скоростью двигателя как таковой или в совокупности с нагрузкой двигателя. Можно использовать процессор для определения, когда изменять давление газа, с помощью сигналов, характеризующих нагрузку и/или скорость, или в ответ на превышение заданной потребности двигателя в топливе.

Формула изобретения

1. Способ управления работой топливной системы, подающей дозированное количество топлива в двигатель внутреннего сгорания, содержащий работающий циклически насос, дозатор, принимающий топливо от насоса, и процессор, регулирующий работу дозатора при подаче дозированной порции топлива, необходимой двигателю, в ответ на поступающие на него сигналы, определяющие рабочие параметры двигателя, с возможностью выдачи дозатором необходимой порции топлива, отличающийся тем, что включает прерывистую работу насоса под управлением процессора для сохранения давления подачи топлива в заданных пределах, причем эти пределы устанавливают таким образом, что насос во время каждой операции подает порцию топлива больше, чем кратное одной максимальной измеренной порции топлива, передаваемой дозатором, определяют давление подачи топлива в дозаторе и вводят в процессор сигнал, характеризующий измеренное давление.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процессор также использует сигнал, характеризующий давление топлива для регулирования прерывистой работы насоса для поддержания давления топлива в указанных пределах.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что топливный насос подает топливо в накопитель.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что насос подает топливо в накопитель, а прерывистую работу насоса регулируют в ответ на заранее определенные колебания уровня топлива в накопителе.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что определяют уровень топлива в накопителе и передают сигнал, характеризующий этот уровень, в процессор, который использует данный сигнал для регулирования прерывистой работы насоса.

6. Способ по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что дозатор подает отмеренное количество топлива в заряд газа, а давление топлива определяют на основании дифференциала давления между топливом и зарядом газа.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что регулируют давление заряда газа с помощью процессора для того, чтобы менять давление заряда газа в ответ на заранее определенные изменения нагрузки и/или скорости двигателя.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что процессор повышает давление заряда газа, если потребность двигателя в топливе превышает заранее определенный предел.

9. Топливная система для двигателя внутреннего сгорания, содержащая топливный насос для передачи топлива из топливного бака в дозатор, промежуточный резервуар, расположенный после насоса датчик, выдающий сигнал, показывающий давление топлива в промежуточном резервуаре, и процессор, принимающий и обрабатывающий каждый сигнал для поддержания давления топлива в промежуточном резервуаре в установленных пределах, отличающаяся тем, что процессор выполнен с возможностью выборочного включения и выключения топливного насоса.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что процессор предназначен для обработки сигнала для регулирования работы дозатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1