Дозирующее устройство со смесителем газа и способ управления смесеобразованием

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Предложено дозирующее устройство и способ управления смесеобразованием для газового ДВС. В смесителе (7) газа в его смесительной камере (15) в воздушный массовый поток добавляется горючий газ, устройство (8) управления управляет добавлением газа в зависимости от числа (n) оборотов двигателя и нагрузки (r) двигателя. Высокодинамический регулятор (RP) давления подает газ в кольцевое пространство (6), окружающее смесительную камеру (15). Из кольцевого пространства (6) в смесительную камеру (15) ведут дозировочные отверстия (16), диаметры которых рассчитаны таким образом, что в дозировочных отверстиях (16) достигается сверхкритический поток газа. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к дозирующему устройству со смесителем газа согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к способу управления смесеобразованием согласно пункту 8 формулы изобретения.

Для обеспечения оптимальной работы газового двигателя в него должна подаваться газовоздушная смесь, в которой соотношение компонентов в смеси регулируется в зависимости от числа оборотов двигателя, нагрузки двигателя и других условий эксплуатации. В современных двигателях, работающих на природном газе, используемых также в автомобилях, смесь, образованная в смесителе газа, может подаваться в отдельные цилиндры газового двигателя, например, с помощью системы впрыскивания с общей топливной магистралью.

В DE 19654699 В4 описано смесеобразование для двигателя внутреннего сгорания, причем в качестве топлива используется газообразное топливо, например природный газ. В смесителе газа в поток массы воздуха подмешивается горючий газ. При этом подача газа управляется посредством тарельчатого клапана, который может приводиться в действие пропорционально длительности импульса прямоугольного сигнала. Смесеобразование в смесителе газа здесь осуществляется посредством регулирования количества газа.

В основу изобретения положена задача создания дозирующего устройства со смесителем газа для газового двигателя, которое имеет максимально простое выполнение и обеспечивает смесеобразование, регулируемое давлением. Кроме того, в основу изобретения положена задача создания способа управления смесеобразованием в сочетании со смесителем газа.

Задача, в случае дозирующего устройства, решается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. Другая задача, относящаяся к способу, решается с помощью признаков пункта 8 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствованные варианты выполнения изобретения раскрываются в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно пункту 1 формулы изобретения дозирующее устройство оснащено смесителем газа, в смесительной камере которого в воздушный массовый поток (расход) с помощью высокодинамического регулятора давления добавляется газ. Регулятор давления подает газ в окружающее смесительную камеру кольцевое пространство, откуда газ поступает в смесительную камеру через дозировочные отверстия, диаметры которых рассчитаны таким образом, что в дозировочных отверстиях возникает сверхкритический газовый поток. Как известно из газовой динамики, при сверхкритическом газовом потоке скорость потока зависит лишь от давления и температуры газа. Таким образом, добавление газа в смесительную камеру через дозировочные отверстия может очень просто регулироваться посредством регулятора давления.

Для этого в качестве регулятора давления может использоваться обычный высокодинамический переменный регулятор давления с регулируемым давлением, который может управляться, например, сигналом, модулированным по длительности импульса.

Дозировочные отверстия, ведущие из кольцевого пространства в смесительную камеру, предпочтительно, распределены вокруг смесительной камеры через одинаковые угловые интервалы. Таким образом, в смесительной камере обеспечивается гомогенное смесеобразование.

Датчики давления и температуры, используемые для управления регулятором давления, предпочтительно, установлены в указанном кольцевом пространстве и передают измеряемые сигналы давления и температуры в устройство управления, управляющее регулятором давления также в зависимости от этих измеренных сигналов и при необходимости от числа оборотов и нагрузки двигателя. С помощью регулятора давления давление в кольцевом пространстве регулируется таким образом, что соответствующее необходимое количество газа поступает в смесительную камеру в виде сверхкритического газового потока.

Обычные регуляторы давления, управляемые управляющим сигналом, модулированным по длительности импульса, могут без проблем использоваться для регулирования давления в комбинации со смесителем газа согласно изобретению. Однако используются также регуляторы давления с цифровым управлением или управляемые другим способом. В любом случае, предпочтительно, если давление газа в кольцевом пространстве зависит от скважности импульса сигнала управления.

Смесительная камера может быть выполнена очень просто в виде участка трубы, имеющего поперечное сечение, постоянное по всей длине. Таким образом, смеситель газа приобретает очень простое общее строение, вследствие чего возможно соответственно экономичное изготовление. Благодаря постоянному поперечному сечению смеситель газа работает без потери давления.

Дозировочные отверстия, ведущие из кольцевого пространства в смесительную камеру, для эксплуатации двигателя автомобиля промышленного назначения (=автомобиль общего назначения) мощностью около 200 кВт могут иметь диаметр около 1,2-2,0 мм, причем обычно в этом случае равномерно между кольцевым пространством и смесительной камерой распределены 8-12 дозировочных отверстий. В каждом случае, диаметр дозировочного отверстия выбирается таким образом, чтобы в дозировочных отверстиях был обеспечен сверхкритический газовый поток, причем диаметр дозировочных отверстий предпочтительно является одинаковым.

Газовая смесь из смесителя газа поступает в камеры сгорания газового двигателя через впускные коллекторы или коллекторы для наддувочного воздуха.

В способе согласно изобретению в соответствии с пунктом 8 формулы изобретения по соответствующему фактическому воздушному массовому потоку для необходимого объемного потока газа рассчитывается добавка горючего газа, по которой с учетом фактической температуры газа, в свою очередь, определяется необходимое давление газа. В этом случае регулятор давления может соответствующим образом управляться с помощью аналогового или цифрового сигнала управления. При этом в качестве аналогового сигнала управления может использоваться модулированный по длительности импульса сигнал, длительность импульса которого представляет собой аналоговую меру для установки давления.

Для формирования соответствующего модулированного по длительности импульса управляющего сигнала для управления регулятором давления согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения предусмотрено, чтобы для измеренного или расчетного воздушного массового потока по заданному коэффициенту избытка воздуха определялся воздушный массовый поток и по нему с учетом температуры газа - первая номинальная величина давления, а по ней - первый сигнал предварительного регулирования, модулированный по длительности импульса.

В результате сравнения номинальной величины давления с измеренным фактическим давлением (то есть по разнице между ними) получают регулируемую величину давления, которую преобразуют во второй сигнал предварительного регулирования, модулированный по длительности импульса, связанный с первым сигналом предварительного регулирования определенным соотношением, чтобы затем из него получился собственно сигнал регулирования/управления для управления регулятором давления. В частности, указанное получение управляющего сигнала для управления регулятором давления получают/определяют по весомости обоих сигналов предварительного управления. При этом регулировочная характеристика в сочетании с ПИД-регулятором может быть подстроена под разные двигатели или характеристики двигателей.

Путем лямбда-регулирования, принятого в современных бензиновых двигателях, определяется коэффициент регулирования, который на основе линейной зависимости между газовым массовым потоком и давлением газа может непосредственно перемножаться с первой заданной величиной давления. При этом возможно применение адаптивного лямбда-регулирования с коэффициентами fra (адаптивный коэффициент), fr (коэффициент быстрого регулирования) и rka (адаптивное слагаемое). По результирующей номинальной величине давления с помощью характеристической кривой рассчитывается скважность импульсов предварительного регулирования.

Регулируемая величина давления, формируемая посредством ПИД-регулятора, может быть простым способом в сочетании с коэффициентом преобразования преобразована в соответствующий модулированный по длительности импульса сигнал, который вместе со скважностью импульсов предварительного регулирования может быть использован для формирования результирующей скважности импульсов.

Для вычисления номинальной величины давления используются корректирующие значения адаптивного лямбда-регулирования.

По сравнению с обычными системами смесеобразования для газовых двигателей с помощью изобретения благодаря меньшему числу конструктивных элементов достигается значительная экономия затрат. Смеситель газа чрезвычайно компактен, так что при сочетании с таким же компактным регулятором давления требуется особенно малое пространство. Благодаря высокой скорости втекания от дозировочных отверстий до смесительной камеры получают высокую степень гомогенизации газовоздушной смеси. Кроме того, за счет улучшенного лямбда-слежения в динамическом режиме может достигаться сокращение выбросов вредных веществ. Кроме того, в смесителе газа не требуется никаких встроенных деталей, приводящих к потерям, благодаря чему предотвращаются ненужные потери давления и достигаются большая мощность и повышенный коэффициент полезного действия газового двигателя.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примерах выполнения, изображенных на чертежах. При этом

фиг. 1 изображает блок-схему управления для управления регулятором давления и

фиг. 2 - блок-схему дозирующего устройства с регулятором давления и сверхкритическим смесителем газа для смесеобразования в случае газового двигателя.

Упрощенно изображенная на фиг. 1 блок-схема управления для формирования модулированного по длительности импульса управляющего сигнала S_pw, которым управляется смесеобразование в смесителе газа газового двигателя, регистрирует со стороны входа в устройстве SE управления воздушный массовый поток mL, температуру T_Gas газа, число n оборотов двигателя и нагрузку r двигателя. По полю KF1 лямбда-характеристик с помощью r и n рассчитывается соответствующий газовый массовый поток. Отсюда с учетом температуры газа вычисляется первая номинальная величина P_soll-roh давления. По P_soll-roh с помощью лямбда-регулирования рассчитывается устанавливаемое номинальное давление P_soll. Теперь с помощью характеристической кривой KL по номинальному давлению P_soll рассчитывается первый сигнал S1_pw предварительного регулирования, модулированный по длительности импульса. Кроме того, номинальное давление P_soll сравнивается с измеренным фактическим давлением P_ist в устройстве 1 сравнения, передающем результат сравнения на ПИД-регулятор 2. С выхода ПИД-регулятора 2 регулируемая величина P_r давления подается на преобразователь 3, преобразующий регулирующий сигнал во второй сигнал S2_pw предварительного регулирования, модулированный по длительности импульса. Регулируемая величина P_r давления нагружается коэффициентом F преобразования, вследствие чего регулируемая величина P_r давления преобразуется во второй модулированный по длительности импульса сигнал S2_pw предварительного регулирования со скважностью импульса, пропорциональной этому коэффициенту F преобразования. Сигнал S1_pw предварительного регулирования, а также сигнал S2_pw предварительного регулирования в устройстве 4 обработки данных связываются между собой для формирования управляющего сигнала S_pw, модулированного по длительности импульса. Ограничитель 5 может ограничить управляющий сигнал S_pw до регулируемой минимальной величины MN и регулируемой максимальной величины MX, т.е. минимальная и максимальная длительности импульса управляющего сигнала S_pw ограничиваются соответствующими величинами MN и MX.

В устройстве 4 обработки данных оба сигнала S1_pw и S2_pw предварительного регулирования могут (логически) связываться между собой, например, таким образом, чтобы для формирования управляющего сигнала S_pw, модулированного по длительности импульса, определялось среднее значение длительности импульсов обоих сигналов. Однако в принципе возможны также другие оценки обоих сигналов предварительного управления, так что, например, сигнал S1_pw предварительного регулирования лишь в менее значительном процентном отношении влияет на выходной управляющий сигнал S_pw.

ПИД-регулятор 2 имеет три входа, на которые могут подаваться коэффициенты KP, KI, KD усиления для пропорциональной (КР), интегральной (KI) и дифференциальной (KD) составляющих. Таким образом, ПИД-регулятор 2 по своей регулировочной характеристике может устанавливаться на разные краевые условия соответствующим выбором коэффициентов усиления.

Управление, упрощенно показанное на фиг. 1, может быть также частью устройства управления двигателем. Показанный способ формирования управляющего сигнала S_pw представляет собой пример возможного варианта выполнения.

Блок-схема, изображенная на фиг. 2, содержит в качестве примера два аккумулятора HD1 и HD2 высокого давления, подсоединенных посредством запорных клапанов V1, V2 и трубопровода L1 высокого давления к высокодинамическому варьируемому регулятору RP давления. Регулятор RP давления с выхода по напорному трубопроводу L2 подает газ под регулируемым давлением газа в кольцевое пространство 6 смесителя 7 газа. Давление газа в напорном трубопроводе L2 регулируется посредством устройства 8 управления в зависимости от воздушного массового потока 9, лямбда-сигнала лямбда-датчика 10 и в зависимости от давления и температуры в кольцевом пространстве 6. Давление и температура передаются на устройство 8 управления с датчика 11 температуры и датчика 12 давления, выступающих в кольцевое пространство 6.

Устройство 8 управления с выхода управляет регулятором RP давления, по существу содержащим для регулирования давления исполнительный элемент 13. Запорный клапан V3 высокого давления и запорный клапан V4 низкого давления также управляются устройством 8 управления. Кроме того, в напорном трубопроводе L2, ведущем к смесителю 7 газа, предусмотрен предохранительный клапан 14. Исполнительный элемент 13 является частью обычного регулятора RP давления, который может управляться, например, управляющим сигналом S_pw, модулированным по длительности импульса, описанным в связи с фиг. 1.

Смеситель 7 газа содержит состоящую из участка трубы смесительную камеру 15, которая посредством нескольких распределенных по периферии дозировочных отверстий 16 находится в гидравлической связи с кольцевым пространством 6. В дозировочных отверстиях 16 присутствует сверхкритический газовый поток, так что давление газа в напорном трубопроводе L2 и тем самым опосредованно количество газа, протекающее через дозировочные отверстия 16, могут управляться в зависимости от измеренных сигналов датчика 11 температуры и датчика 12 давления. При наличии сверхкритического потока скорость потока зависит только от давления Р и температуры Т в кольцевом пространстве 6.

1. Дозирующее устройство для газового двигателя со смесителем (7) газа, в смесительной камере (15) которого в воздушный массовый поток (9) добавляется горючий газ, причем устройство (8) управления управляет указанным добавлением в зависимости от воздушного массового потока, температуры газа, числа (n) оборотов двигателя и/или нагрузки (r) двигателя, отличающееся тем, что высокодинамический регулятор (RP) давления подает газ в кольцевое пространство (6), окружающее смесительную камеру (15), причем из кольцевого пространства (6) в смесительную камеру (15) ведут дозировочные отверстия (16), диаметры которых рассчитаны таким образом, чтобы в дозировочных отверстиях (16) присутствовал сверхкритический газовый поток.

2. Дозирующее устройство по п. 1, отличающееся тем, что дозировочные отверстия (16) распределены вокруг смесительной камеры (15) через одинаковые угловые интервалы.

3. Дозирующее устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что датчик (12) давления и датчик (11) температуры установлены в кольцевом пространстве (6) и передают измеренные сигналы давления и температуры в устройство (8) управления и что устройство (8) управления управляет высокодинамическим регулятором (RP) давления в зависимости от этих измеренных сигналов.

4. Дозирующее устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что регулятор (RP) давления управляется сигналом (S_pw) управления, модулированным по длительности импульса, причем давление газа в кольцевом пространстве (6) зависит от скважности импульса сигнала (S_pw) управления.

5. Дозирующее устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что смесительная камера (15) выполнена в виде участка трубы с постоянным по всей длине проточным поперечным сечением.

6. Дозирующее устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что для использования в двигателе автомобиля промышленного назначения мощностью около 200 кВт в смесителе (7) газа предусмотрены восемь-двенадцать дозировочных отверстий (16) предпочтительно одинакового диаметра, причем диаметры отверстий располагаются в диапазоне 1,2-2,0 мм.

7. Дозирующее устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что газовая смесь из смесителя (7) газа поступает в камеры сгорания газового двигателя через впускные коллекторы или коллекторы для наддувочного воздуха.

8. Способ управления происходящим в дозирующем устройстве смесеобразованием для эксплуатации газового двигателя с использованием высокодинамического регулятора (RP) давления, с помощью которого осуществляют добавление пригодного в качестве топлива газа в смеситель (7) газа, через который протекает воздушный массовый поток, отличающийся тем, что с учетом соответствующего фактического воздушного массового потока (9) и с учетом числа (n) оборотов двигателя и нагрузки (r) двигателя добавление горючего газа осуществляют с помощью сверхкритического газового потока.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что для измеренного или расчетного воздушного массового потока (mL) по заданному коэффициенту избытка воздуха определяют воздушный массовый поток, а по нему с учетом температуры (T_Gas) газа определяют номинальную величину (P_soll) давления и первый сигнал (S1_pw) предварительного регулирования, причем по разности между номинальной величиной (P_soll) давления и измеренным фактическим давлением (P_ist) получают регулируемую величину (P_r) давления, причем эту регулируемую величину (P_r) давления преобразуют во второй сигнал (S2_pw) предварительного регулирования и при этом по весомости обоих сигналов (S1_pw, S2_pw) предварительного управления определяют управляющий сигнал (S_pw) для управления регулятором (RP) давления.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что по разности между номинальной величиной (P_soll) давления и измеренным фактическим давлением (P_ist) ПИД-регулятор (2) с помощью регулируемых коэффициентов (KP, KI, KD) усиления, относящихся к пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющим, формируют регулируемую величину (P_r) давления.

11. Способ по п. 9 или 10, отличающийся тем, что регулируемая величина (P_r) давления нагружается коэффициентом (F) преобразования, с помощью которого регулируемая величина (P_r) давления преобразуется в сигнал (S2_pw) предварительного регулирования, модулированный по длительности импульса, со скважностью импульса, пропорциональной этому коэффициенту (F) преобразования.

12. Способ по одному из пп. 9, 10, отличающийся тем, что для вычисления номинальной величины (P_soll) давления используются корректирующие значения адаптивного лямбда-регулирования.