PL221746B1

PL221746B1 - Sposób optymalizacji zasilania dwupaliwowego, elektronicznie sterowanych, czterosuwowych silników tłokowych z zapłonem samoczynnym, z wykorzystaniem paliw gazowych

Info

Publication number: PL221746B1
Application number: PL398334A
Authority: PL
Inventors: Sebastian Sarre
Original assignee: Sarre Piotr
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2016-05-31
Also published as: EP2642104A3; PL398334A1; EP2642104A2

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób realizacji dwupaliwowego zasilania nowoczesnych spalinowych czterosuwowych silników tłokowych o zapłonie samoczynnym, zwłaszcza silników trakcyjnych, z równoległym użyciem alternatywnego paliwa gazowego (APG) w postaci palnego gazu - wodoru, CNG, LNG lub LPG o wielkościach powiązanych z proporcjonalną redukcją dawki ciekłego paliwa podstawowego (CPP) w stosunku do zasilania jednopaliwowego - wyłącznie olejem napędowym.

Dwupaliwowe zasilanie silników o zapłonie samoczynnym, polega na dodaniu paliwa gazowego do tworzonej mieszanki palnej w wyniku czego następuje optymalizacja spalania wtryskiwanego oleju napędowego oraz uzupełnienie wytwarzanej w obiegu termodynamicznym silnika energii o energię wyzwoloną ze spalenia paliwa gazowego. Dzięki faktowi optymalizacji spalania ciekłego paliwa podstawowego, połączonemu z wykorzystaniem znacznie tańszego gazowego paliwa alternatywnego, następuje znaczący wzrost ekonomiki w eksploatacji silnika, przy jednoczesnej bardzo korzystnej poprawie parametrów ekologicznych, spowodowanych redukcją emisji tlenków azotu NO(_X), radykalnym zmniejszeniem udziału cząstek stałych w spalinach, będących istotnym składnikiem pyłu zawi eszonego zwłaszcza na obszarach dużych aglomeracji miejskich, oraz sumarycznie mniejszą emisją tlenku węgla (CO) oraz dwutlenku węgla (CO₂). Wielkość wpływu dwupaliwowych systemów zasilania jest na tyle istotna, że pozwala silnikom spełniać ostrzejsze normy emisji spalin, co w przypadku transportu samochodowego przyczynia się do dalszego obniżania kosztów powiązanych z poziomem emisji substancji szkodliwych. Wskazanym jest wobec tego dążenie do maksymalizacji udziału procentowego paliwa alternatywnego w sumarycznie podawanych do silnika dawkach obu paliw.

Znane z opisów wynalazków GB 2437098; US 6,694,242; US 7,387,091; PL 378 146, oraz PL 388 684 systemy, wedle których spalinowy silnik tłokowy o zapłonie samoczynnym zasilany jest mieszanką oleju napędowego i gazu w ten sposób, że olej napędowy podawany jest do każdego c ylindra dedykowanym mu fabrycznym wtryskiwaczem, zaś gaz podawany jest do układu dolotowego silnika, skąd po zmieszaniu z powietrzem dostaje się do komór spalania.

Znane również ze stanu techniki, oraz z patentu US 7,387,091 jest użycie czujnika spalania stukowego dla wykrycia nadmiernej hałaśliwości silnika wysokoprężnego zasilanego dwupaliwowo, spowodowanej przekroczeniem krytycznej dawki gazu, powiązane z systemem ograniczenia dawki gazu generującej szkodliwy przebieg spalania mieszanki paliwowo-powietrznej.

Znany jest z opisu patentu ITMI20090968 również sposób redukcji odmierzonej dawki paliwa bazowego (oleju napędowego) podawanego sterowanym elektronicznie wtryskiwaczem, na skutek realizowanego przez dodany kontroler elektroniczny skrócenia czasu wtrysku oleju napędowego, p oprzez ucięcie końcowej części wykonawczego impulsu sterującego w jego części głównej (z pominięciem wtrysków pilotażowych, tak zwanych przedwtrysków). Uzyskiwane w ten sposób zmniejszenie dawki paliwa bazowego pozwala na uzupełnienie go gazowym paliwem alternatywnym dla uzyskania sumarycznej dawki zapewniającej rozwinięcie założonej z góry mocy silnika dla danych parametrów wejściowych i stanu dynamicznego silnika (obroty/obciążenie).

Cechą istniejących rozwiązań związanych z realizacją zasilania dwupaliwowego jest ograniczona precyzja dawkowania gazu z racji powszechnie przyjętego sposobu podawania go do wspólnej dla wszystkich cylindrów części układu dolotowego, w znacznej odległości od cylindrów silnika, co wyw ołuje znaczące opóźnienia reakcji silnika na zmiany dawki paliwa alternatywnego, czyli brak możliwości nadążnego regulowania dawki gazu w przypadku występowania negatywnych zjawisk wynikłych z przekroczenia dawki gazu bezpiecznej dla danego silnika, w danych warunkach dynamicznych jego pracy. Pociąga to za sobą znaczny poziom ograniczenia udziału paliwa gazowego w łącznej ilości paliwa zasilającego silnik w stosunku do potencjalnych możliwości jego wykorzystania.

Cechą wszystkich tego typu rozwiązań jest również rosnąca w niekontrolowany sposób wraz z procentowym udziałem gazu, podatność silnika na szkodliwe zjawisko spalania detonacyjnego, rodząca w przypadku zastosowania rozwiązań jak w opisie wynalazku US 7,387,091 konieczność ograniczania dawki gazu do zera dla wszystkich cylindrów jednocześnie, aż do ustania spalania stukowego, a następnie przywracanie pomniejszonej już dawki gazu. Mało skutecznymi z racji niewielkiej precyzji działania również należy nazwać systemy detekcji spalania detonacyjnego (stukowego), w ywołanego zasilaniem dwupaliwowym silników tłokowych o zapłonie samoczynnym, oparte na integr owanej w jednostce czasu, uśrednionej (całkowanej) wartości poziomu hałaśliwości silnika odczytywanej przez czujnik spalania stukowego, w oderwaniu od cyklu (fazy) pracy silnika.

PL 221 746 B1

Niekorzystną cechą sposobu ograniczenia długości czasu trwania impulsu sterującego w celu zredukowania dawki paliwa podstawowego, jak w patencie ITMI20090968 jest wpływanie na dawkę poprzez fizyczne skrócenie (wcześniejsze zakończenie) czasu trwania impulsu wyzwalającego wtrysk paliwa. W silniku wysokoprężnym proces spalania inicjowany jest przez początek wtrysku oleju napędowego, a propagacja płomienia w objętości komory spalania odbywa się na powierzchni chmury rozpylonego paliwa. Rozłożenie dawki paliwa w czasie trwania suwu pracy, jest proporcjonalne do stopnia przewlekłości procesu spalania, pożądanego dla najkorzystniejszego przebiegu narastania ciśnienia gazów spalinowych napierających na denko tłoka i generujących moment obrotowy silnika. Pozostawienie w czasie zasilania dwupaliwowego dawki sumarycznej obu paliw na poziomie ilościowym identycznym w stosunku do zasilania jednopaliwowego, przy jednoczesnym skróceniu procesu wtryskiwania paliwa płynnego, powoduje skrócenie procesu spalania w skali czasu trwania suwu pracy silnika, a tym samym gwałtowniejsze narastanie ciśnienia indykowanego w cylindrze, którego nadmierny wzrost zwiększa ryzyko detonacyjnego samozapłonu mieszanki gazowo-powietrznej w tej części objętości komory spalania, która nie jest jeszcze objęta rozprzestrzeniającym się płomieniem pochodzącym od spalania rozpylonego oleju napędowego.

Niedoskonałym z punktu widzenia maksymalizacji procentowego udziału gazu w całości podawanego paliwa również należy uznać dwupaliwowy sposób zasilania silników o zapłonie samoczynnym, oparty o podanie gazu jednopunktowo do części wspólnej układu dolotowego silnika (najczęściej przed turbosprężarką, o ile silnik jest w nią wyposażony), z racji całkowitego ujednorodnienia mieszanki powietrzno-gazowej przed dostaniem się jej do cylindrów silnika.

Sposób optymalizacji zasilania dwupaliwowego, elektronicznie sterowanych, czterosuwowych silników tłokowych z zapłonem samoczynnym, z wykorzystaniem paliw gazowych, charakteryzuje się tym, że APG podaje się w fazie gazowej lub ciekłej do kanału dolotowego każdego cylindra tego siln ika osobno, w dawkach identycznych albo zróżnicowanych dla poszczególnych cylindrów, za pomocą osobnych, sterowanych programowalnym kontrolerem elektronicznym wtryskiwaczy, realizujących odmierzanie dawki APG indywidualnie dla danego cyklu pracy danego cylindra w danym silniku, w sposób zapewniający regulowane uwarstwienie strug APG i zasysanego powietrza, dokonuje się przy tym detekcji spalania stukowego spowodowanego przekroczeniem maksymalnej dawki dopuszczalnej APG dla każdego cyklu pracy każdego cylindra osobno. Ustala się też optymalną wartość energetyczną sumarycznej dawki dwóch paliw dla danego cyklu pracy każdego cylindra danego silnika osobno poprzez analizę porównawczą nierównomierności prędkości obrotowej wału korbowego w obrębie zakresów kątowych obrotu przypadających na zapłon mieszanki w poszczególnych cylindrach danego silnika i dokonuje się redukcji dawki CPP identycznej dla wszystkich cylindrów, albo różnej dla każdego cylindra, w sposób niezmniejszający, lub zwiększający przewlekłość spalania ładunku danego cylindra przypadającego na każdy cykl jego pracy.

Odporność mieszanki APG i powietrza na spalanie stukowe zwiększa się poprzez regulowany stopień uwarstwienia strug zasysanego w danym cyklu pracy danego cylindra APG oraz powietrza. Regulacji stopnia uwarstwienia dokonuje się poprzez dowolną zmianę fazowego przesuwania impulsu sterującego wyzwalającego wtrysk paliwa gazowego względem fazy otwarcia zaworu ssącego w danym cylindrze, skutkującą zmianą czasu mieszania się ładunku powietrza i dawki APG przeznaczonych dla realizacji jednego cyklu pracy danego cylindra, a tym samym różną skutecznością homogenizacji tej mieszanki.

Wielkość dawki APG przechowuje się w pamięci sterownika elektronicznego o strukturze umożliwiającej zapisanie przynajmniej jednej jej wartości, a korzystnie różnych wartości dla różnych stanów dynamicznych silnika, wyrażonych wielkością obciążenia oraz prędkością obrotową, w postaci tabeli funkcji tych dwóch zmiennych.

Do maksymalnej ustalonej dla danego cylindra w danym stanie dynamicznym dawki APG dodaje się zredukowaną dawkę CPP dobieraną w ten sposób, że dokonuje się monitorowania wielkości nierównomierności prędkości obrotowej wału korbowego silnika, wywołanej zapłonami w poszczególnych cylindrach danego silnika i na tej podstawie określa względną wartość energii zapłonu w każdym cylindrze. Następnie dokonuje się analizy porównawczej energii zapłonu w cylindrze zasilanym dwupaliwowo z energią zapłonu w tym samym cylindrze zasilanym wyłącznie niemodyfikowaną dawką CPP. Zredukowaną dawkę paliwa podstawowego ustala się w taki sposób, aby różnica pomiędzy świadczącą o energii zapłonu wielkością nierównomierności biegu wału korbowego przypadającą na zapłon w cylindrze zasilanym dwupaliwowo, a wielkością nierównomierności biegu wału korbowego wywołaną

PL 221 746 B1 zapłonem w cylindrze zasilanym wyłącznie paliwem bazowym, zmierzała do zera. Proces ten realizowany jest na etapie wstępnej kalibracji systemu zasilania dwupaliwowego indywidualnie dla każdego cylindra.

Do maksymalnej ustalonej dla danego cylindra w danym stanie dynamicznym dawki APG dodaje się zredukowaną dawkę CPP dobieraną w ten sposób, że dokonuje się monitorowania wielkości nierównomierności prędkości obrotowej wału korbowego silnika, wywołanej zapłonami w poszczególnych cylindrach danego silnika i na tej podstawie określa względną wartość energii zapłonu w każdym cylindrze. Następnie dokonuje się analizy porównawczej energii zapłonu w cylindrze zasilanym dwupaliwowo, podlegającym regulacji w danej chwili dwupaliwowo z energią zapłonu w innym cylindrze zasilanym dwupaliwowo. Zredukowaną dawkę paliwa podstawowego ustala się w taki sposób, aby różnica pomiędzy świadczącą o energii zapłonu wielkością nierównomierności biegu wału korbowego przypadającą na zapłon w cylindrze, dla którego ustalana jest dawka, a wielkością nierównomierności biegu wału korbowego wywołaną zapłonem w innym cylindrze zasilanym dwupaliwowo, zmierzała do zera. Proces ten realizowany jest w czasie rzeczywistym, na etapie ciągłej pracy silnika zasilanego dwupaliwowo, indywidualnie dla każdego cylindra.

Dane o maksymalnej możliwej wielkości redukcji dawki CPP wypracowane w czasie kalibracji systemu przechowywane są w strukturze pamięci sterownika, umożliwiającej zapamiętanie przynajmniej jednej ich wartości indywidualnie dla każdego cylindra, a korzystnie, dla różnych stanów dynamicznych silnika wyrażonych wielkością obciążenia oraz prędkością obrotową, w postaci tabeli funkcji tych dwóch zmiennych.

Skonstruowanie impulsu sterującego wtryskiem zredukowanej dawki CPP odbywa się poprzez przejęcie przez sterownik oryginalnego, pierwotnego impulsu sterującego wtryskiem CPP realizowanym przez wtryskiwacze, wytworzonego przez oryginalny sterownik zasilania silnika, dokonanie pomiaru czasu trwania tego impulsu, i na tej podstawie skonstruowanie impulsu wtórnego, dwustanowego, zawierającego niezmienioną w stosunku do sygnału pierwotnego część zawierającą przynajmniej jeden wtrysk pilotażowy CPP, oraz część obejmującą główną dawkę CPP, w której redukcja ilości CPP realizowana jest poprzez zastąpienie w obrębie tej części sygnału ciągłego wykonawczym s ygnałem przerywanym, zawierającym przynajmniej jeden stan niski, a rozpoczynającego się i kończącego stanem wysokim, dla zapewnienia utrzymania identycznego z oryginalnym dla danego cyklu pracy danego cylindra sumarycznego czasu jego trwania i tym samym utrzymania przewlekłości spalania w danym cyklu pracy danego cylindra na optymalnym poziomie.

Do wykrywania spalania detonacyjnego w danym cylindrze danego silnika zasilanego dwupaliwowo, wywołanego przekroczeniem maksymalnej dla danego stanu dynamicznego silnika dawki gazowego paliwa alternatywnego wykorzystuje się czujnik położenia wału korbowego i wału rozrządczego silnika, i/lub czujnik położenia wału korbowego i pierwotne sygnały sterujące wtryskiwaczami CPP, do określania w czasie rzeczywistym dokładnego położenia kątowego wału korbowego i kolejności realizacji zapłonów w cylindrach silnika, z jednoczesnym prowadzeniem ciągłej detekcji sygnału z przynajmniej jednego czujnika spalania stukowego, którego wartość odczytana w wyznaczonym oknie czasowym wyrażonym kątem obrotu wału korbowego przypadającym na zapłon ładunku w danym cylindrze zasilanym dwupaliwowo, odniesiona do ustalonego poziomu progowego, wyznaczonego w sposób analogiczny dla tego cylindra podczas zasilania wyłącznie paliwem podstawowym, pozwala na precyzyjne wykrycie hałaśliwości silnika zwiększonej na skutek spalania detonacyjnego w danym cylindrze, wywołanego przekroczeniem maksymalnej dawki gazu dla danych chwilowych warunków pracy danego cylindra. W efekcie dokonuje się adaptacyjnego korygowania dawek APG dla każdego cyklu pracy w każdym cylindrze danego silnika oddzielnie.

Dla adaptacyjnego, addytywnego regulowania procentowego udziału dawki paliwa alternatywnego dążąca do maksymalizacji udziału APG w całkowitej dawce obu paliw dla danego cyklu pracy w danym cylindrze danego silnika do zdefiniowanej wstępnie, przechowywanej w pamięci elektronic znego sterownika dawki paliwa alternatywnego przeznaczonej dla danego stanu dynamicznego silnika, w danym cylindrze w danej chwili, dodaje się dawkę korekcyjną. Maksymalna wielkość dawki korekcyjnej limitowana jest wystąpieniem w tym cylindrze zjawiska spalania detonacyjnego ustalonego sp osobem według wynalazku, a dawka CPP jest redukowana odpowiednio do zwiększania dawki APP, dla utrzymania sumarycznej wartości energetycznej dawki łącznej obu paliw. Wielkość wypracowanej dawki korekcyjnej przechowywana jest w strukturze pamięci elektronicznego sterownika zasilania gazem, umożliwiającej zapisanie przynajmniej jednej jej wartości, a korzystnie różnych wartości dla różnych stanów dynamicznych silnika, wyrażonych wielkością obciążenia oraz prędkością obrotową, w postaci tabeli funkcji tych dwóch zmiennych.

PL 221 746 B1

Dla adaptacyjnego, subtraktywnego regulowania procentowego udziału dawki paliwa alternatywnego realizowana w celu ochrony silnika przed niszczącym przedawkowaniem udziału paliwa alternatywnego w całkowitej dawce paliwa dla danego cyklu pracy w danym cylindrze danego silnika, od zdefiniowanej wstępnie, przechowywanej w pamięci elektronicznego sterownika dawki paliwa alternatywnego odejmuje się dawkę korekcyjną. Wielkość dawki korekcyjnej przestaje się zwiększać w chwili ustania w tym cylindrze zjawiska spalania detonacyjnego ustalonego sposobem wedle wynalazku, i której wielkość w chwili osiągnięcia takiego stanu jest uznana za optymalną pod kątem maksymalizacji udziału paliwa gazowego w sumarycznej dawce obu paliw i jako taka jest przechowywana w strukturze pamięci elektronicznego sterownika zasilania gazem, umożliwiającej zapisanie przynajmniej jednej jej wartości, a korzystnie różnych wartości dla różnych stanów dynamicznych silnika, wyrażonych wielkością obciążenia oraz prędkością obrotową, w postaci tabeli funkcji tych dwóch zmiennych.

Sposób według wynalazku pozwala na dawkowanie APG do poszczególnych cylindrów czterosuwowego silnika o zapłonie samoczynnym (Diesla), o podstawowym zasilaniu CPP. Stwarza to możliwość nadążnego optymalizowania dawki gazu indywidualnie w każdym cylindrze, dla każdego suwu pracy, w dowolnym stanie dynamicznym silnika, a przez to umożliwia zwiększenie udziału paliwa alternatywnego w stosunku do znanych rozwiązań systemów dwupaliwowych, z jednoczesnym zachowaniem bezpieczeństwa eksploatacji i trwałości silnika. Sposób realizacji uwzględnia również dla niektórych paliw alternatywnych korzystną możliwość podawania gazu z pominięciem przemiany fazowej w fazę gazową - czyli bezpośrednio w fazie ciekłej. Tak skonstruowana regulacja dawek paliwa alternatywnego w połączeniu z cechami zasilania według wynalazku, pozwala na zastosowanie odbywających się w czasie rzeczywistym korekt udziału gazu w sumarycznej ilości podawanego pal iwa, mogących tworzyć dane adaptacyjne, umożliwiające utrzymanie w każdych warunkach pracy silnika dawkowania gazu w maksymalnych nieniszczących silnika ilościach. Wynalazek znacznie p oprawia ekonomię eksploatacji zasilanych dwupaliwowo czterosuwowych silników o zapłonie sam oczynnym o dowolnym zastosowaniu, szczególnie stosowanych we wszelkich pojazdach samochodowych, w których możliwa jest redukcja zużywanych ilości ciekłego paliwa podstawowego nawet o 70%.

Przedmiot wynalazku jest bliżej pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy, fig. 2a - przebieg pierwotnego impulsu, wygenerowanego przez sterownik zasilania paliwem podstawowym oraz impulsu wtórnego - fig. 2b, fig. 3 - wykres nierównomierności prędkości obrotowej wału korbowego.

Sposób realizacji dwupaliwowego zasilania nowoczesnych spalinowych czterosuwowych silników tłokowych o zapłonie samoczynnym, zwłaszcza silników trakcyjnych, z równoległym użyciem alternatywnego paliwa gazowego (APG) w postaci palnego gazu - wodoru, CNG, LNG lub LPG, podawanego sekwencyjnie w fazie lotnej lub ciekłej, w dawkach odmierzanych indywidualnie dla każdego cylindra silnika, o wielkościach powiązanych z proporcjonalną redukcją dawki ciekłego paliwa podstawowego (CPP) w stosunku do zasilania jednopaliwowego (wyłącznie olejem napędowym), z zaawansowanym systemem optymalizacji dawkowania gazu opartym na wywołaniu niepełnej homogenizacji (częściowego uwarstwienia) mieszanki gazu z powietrzem, pomiarze nierównomierności obrotów wału korbowego oraz detekcji spalania stukowego umożliwiającymi adaptacyjne, addytywno-subtraktywne korygowanie dawki gazu indywidualnie dla każdego cylindra.

Sposób realizacji (na Fig. 1) wedle wynalazku polega także na użyciu oprogramowanego według zasad wynalazku elektronicznego sterownika (2) zasilania gazem, który doprowadza się ze zbiornika (3), poprzez elektrozawór (4), filtr fazy ciekłej (5) (tylko w przypadku gazu magazynowanego w fazie ciekłej), reduktor ciśnienia (6) realizujący również funkcję przemiany fazowej gazu ciekłego do fazy lotnej w przypadku użycia takiego gazu, filtr fazy lotnej (7), czujnik ciśnienia gazu (8), czujnik temperatury gazu (9), do wtryskiwaczy gazu (10a, 10b, 10c...). Sterownik (2) dokonuje identyfikacji kolejności zapłonów cylindrów silnika (S), oraz bieżącego, bardzo dokładnego monitorowania położenia kątowego wału korbowego, na podstawie wprowadzonych impulsów wejściowych z dobudowanego lub oryginalnego (OEM) czujnika położenia wału korbowego (14) współpracującego z wielozębowym wieńcem sygnałowym, czujnika położenia wału rozrządu (15) identyfikującego przynajmniej jedno kątowe położenie charakterystyczne tego wału, impulsów sterujących dawką bazową dla wtrysk iwaczy ciekłego paliwa podstawowego (12a, 12b, 12c...), wypracowanych przez oryginalny sterownik elektroniczny silnika (1), oraz sygnałów z przynajmniej jednego czujnika spalania stukowego (17). W celach pomocniczych, przewiduje się wprowadzenie do sterownika (2) impulsów z innych czujników, niekoniecznych dla zapewnienia bazowego działania systemu według wynalazku, aczkolwiek

PL 221 746 B1 przydatnych dla poprawy integracji opisywanego systemu z oryginalnymi systemami sterowania zasilaniem silnika. Należą do nich: czujnik położenia pedału gazu (18), miernik masowego lub objętościowego przepływu powietrza (20), czujnik ciśnienia powietrza (19) w kolektorze dolotowym (11), czujnik ciśnienia ciekłego paliwa podstawowego (16), czujnik temperatury silnika (21). Sposób realizacji uwzględnia dla niektórych wymienionych czujników możliwość modyfikacji przez sterownik (2) wartości odczytywanych sygnałów przed podaniem ich do sterownika (1). Takie zmiany mają na celu kompensowanie efektów wywołanych zmniejszeniem realnego wydatku paliwa podstawowego przy utrzymaniu niezmienionych parametrów dynamicznych silnika.

Opisana powyżej struktura logiczna systemu, umożliwia zrealizowanie następujących, będących istotą wynalazku procesów:

- Wywołanie i regulacja stopnia niejednorodności (uwarstwienia) mieszanki podawanego gazu i powietrza zasysanego przez silnik (S), wynikającego z użycia indywidualnego źródła zasilania gazem dla każdego cylindra danego silnika, umożliwiającego realizację tego zasilania poprzez podawanie dawek paliwa gazowego wyliczonych przez sterownik elektroniczny (2) i odmierzonych indywidualnie dla każdego cyklu pracy danego cylindra w danym silniku, przez urządzenia wykonawcze w postaci wtryskiwaczy (10a, b, c...), będących sterowanymi elektronicznie dwustanowymi elektrozaworami o zerowym przepływie w stanie spoczynkowym, możliwie blisko zaworu ssącego dla maksymalnego skrócenia wspólnej drogi odmierzonej dawki gazu i ilości powietrza zasysanego do danego cylindra w danym cyklu jego pracy. Sposób realizacji według wynalazku daje możliwość dowolnego przesuw ania fazy czasowej wtrysku gazu w stosunku do fazy czasu otwarcia zaworu ssącego w każdym cyklu silnika, a przez to dzięki wpływaniu na okres pozostawania we wspólnej objętości zassanej dawki powietrza i odmierzonej dla tego samego cyklu dawki gazu, możliwość regulacji stopnia uwarstwienia strug powietrza i gazu, co w konsekwencji prowadzi do wzrostu odporności tej mieszanki na spalanie o charakterze detonacyjnym.

Dzięki wynalazkowi możliwe jest znaczące zwiększenie ilości podawanego gazu, przy niezmienionym, lub zmniejszonym ryzyku detonacji, a tym samym - bezpieczne dla silnika poprawienie wskaźników ekonomicznych związanych z eksploatacją silnika, oraz parametrów ekologicznych.

- Użycia sterowanego mikroprocesorowym, programowalnym sterownikiem zasilania altern atywnym paliwem gazowym systemu wypracowywania według wynalazku dawki łącznej w zasilaniu dwupaliwowym, ekwiwalentnej do dawki podstawowej podczas zasilania jednopaliwowego, a polegającego na specyficznym sposobie redukcji dawki paliwa bazowego, z jednoczesnym uzupełnieniem dawki łącznej za pomocą dawki gazu. Zredukowanie dawki ciekłego paliwa podstawowego op arte jest na przejęciu wygenerowanego przez sterownik zasilania paliwem podstawowym pierwotnego impulsu (Fig. 2a) sterującego wtryskiwaczem paliwa podstawowego poprzez sterownik zasilania paliwem alternatywnym oraz na podstawie tego impulsu, wygenerowaniu przez sterownik zasilania paliwem alternatywnym nowego, wtórnego sygnału sterującego wtryskiwaczem paliwa podstawowego (Fig. 2b), odwzorowującego bez zmian przynajmniej jedną tzw. pilotażową (inicjującą zapłon) dawkę (Fig. 2a, 2b; w1, w2...) wtrysku paliwa podstawowego, oraz realizującego zastąpienie przynajmniej jednej dawki ciągłej (Fig. 2a, 2b; w3) głównej fazy wtrysku ciekłego paliwa bazowego sygnałem dwustanowym o regulowanej wielkości współczynnika wypełnienia przynajmniej jednego interwału w postaci stanu niskiego (Fig. 2b; i1, i2...), co pozwoli na dokonanie redukcji pierwotnej dawki paliwa podstawowego, przy zachowaniu sumarycznej oryginalnej długości (Fig. 2a, 2b; t1) i orientacji fazowej (Fig. 2a, 2b; α1, a2) jego wtrysku, względem położenia kątowego wału korbowego silnika.

Procesem połączonym z modyfikacją dawki paliwa podstawowego jest realizowane przez sterownik zasilania paliwem alternatywnym uzupełnianie całkowitej dawki alternatywnym paliwem gazowym wedle zaprogramowanych wcześniej dawek, korygowanych przy użyciu algorytmu adaptacyjnego, bazującego na pomiarze energii zapłonu danego cylindra zasilanego dwupaliwowo, porównanej do energii zapłonu tego samego lub innych cylindrów silnika, a polegającego na pomiarze nierównomierności prędkości obrotowej wału korbowego w funkcji obrotów wału korbowego OWK (według Fig. 3) w zakresie kątowym odpowiadającym suwowi pracy danego cylindra zasilanego dwupaliwowo i odnoszeniu wyniku tego pomiaru do wyników analogicznego pomiaru dokonanego w tym samym cylindrze zasilanym wyłącznie olejem napędowym (Fig. 3; Δω1) (adaptacja bezwzględna - krzywa kropkowana), oraz do pozostałych cylindrów - zasilanych mieszanką obu paliw (Fig. 3; Δω1) (adaptacja różnicowa - krzywa ciągła). Wartości wypracowanych tymi sposobami wielkości adaptacji są przy tym przechowywane w pamięci kontrolera zasilania gazowego i służą precyzyjnemu określeniu zależności ilościowych obu paliw dla umożliwienia dynamicznej zmiany ich proporcji, przy jednoczesnym

PL 221 746 B1 zachowaniu stałej wartości energetycznej sumarycznej dawki obu paliw, będącej ekwiwalentem dla dawki paliwa bazowego w danym stanie dynamicznym silnika, wypracowanej przez oryginalny sterownik silnika.

- Użycia sterowanego mikroprocesorowym, programowalnym sterownikiem, zaawansowanego procesu wykrywania spalania stukowego indywidualnie dla każdego cylindra w połączeniu z realizacją podawania paliw według wynalazku. Kontroler wtrysku gazu, za pomocą sygnałów z czujnika położenia wału korbowego i wału rozrządczego silnika, lub czujnika położenia wału korbowego i sygnałów sterujących wtryskiwaczami oleju napędowego, w czasie rzeczywistym określa dokładne położenie kątowe wału korbowego i prowadzi detekcję sygnału z czujnika bądź czujników spalania stukowego (według Fig.4), którego wartość (Fig.4; knk_gaz - krzywa ciągła) odczytana w oknie czasowym (Fig.4; okno_cyl1) wyrażonym kątem obrotu wału korbowego przypadającym na zapłon ładunku w danym cylindrze, odniesiona do traktowanego jako poziom odniesienia poziomu sygnału (Fig. 4; knk_prog. krzywa przerywana) w tym oknie czasowym, zmierzonym podczas zasilania jednopaliwowego ciekłym paliwem bazowym, pozwala na precyzyjne wykrycie hałaśliwości silnika zwiększonej na skutek niekontrolowanego wzrostu ciśnienia akustycznego powstałego na skutek spalania detonacyjnego w tym cylindrze, wywołanego przekroczeniem maksymalnej dawki gazu dla danych chwilowych warunków pracy danego cylindra. Sposób postępowania według wynalazku umożliwia, w stosunku do zaprogramowanej dawki paliwa gazowego i dla danego stanu dynamicznego silnika, zarówno na korygowanie redukcyjne tej dawki gazu (adaptacja subtraktywna) dla eliminacji spalania detonacyjnego, jak i na korygowanie zwiększające (adaptacja addytywna) dla maksymalizacji dawki gazu dla danego cylindra, w sprzężeniu zwrotnym z sygnałami z układu detekcji spalania stukowego. Wartości odchyłek wypracowanych tymi sposobami adaptacji, są przy tym przechowywane w pamięci kontrolera zasilania gazowego dla każdego cylindra osobno i uwzględniane przy opracowywaniu dawek maksymalnych gazu w kolejnych cyklach, zaś opracowane i uwzględnione różnice dawek gazu w stosunku do zaprogramowanej dawki bazowej, powiązane są z modyfikacjami dawek paliwa bazowego, w każdym przypadku służącymi utrzymaniu stałej sumarycznej wartości energetycznej obu paliw w obrębie dawki dla jednego cyklu pracy danego cylindra, będącej ekwiwalentem dla dawki paliwa bazowego w danym stanie dynamicznym silnika, wypracowanej przez oryginalny sterownik silnika.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób optymalizacji zasilania dwupaliwowego, elektronicznie sterowanych, czterosuwowych silników tłokowych z zapłonem samoczynnym, z wykorzystaniem paliw gazowych w fazie gazowej lub ciekłej, znamienny tym, że APG podaje się w fazie gazowej lub ciekłej do kanału dolotowego każdego cylindra tego silnika osobno, w dawkach identycznych albo zróżnicowanych dla poszczególnych cylindrów, za pomocą osobnych, sterowanych programowalnym kontrolerem elektronicznym (2) wtryskiwaczy (10a, 10b, 10c...) realizujących odmierzanie dawki APG indywidualnie dla danego cyklu pracy danego cylindra w danym silniku, w sposób zapewniający regulowane uwarstwienie strug APG i zasysanego powietrza i dokonuje się detekcji spalania stukowego (17) spowodowanego przekroczeniem maksymalnej dawki dopuszczalnej APG dla każdego cyklu pracy każdego cylindra osobno i ustala się optymalną wartość energetyczną sumarycznej dawki dwóch paliw dla danego cyklu pracy każdego cylindra danego silnika osobno poprzez analizę porównawczą nierównomierności prędkości obrotowej wału korbowego w obrębie zakresów kątowych obrotu przypadających na zapłon mieszanki w poszczególnych cylindrach danego silnika i dokonuje się redukcji dawki CPP identycznej dla wszystkich cylindrów, albo różnej dla każdego cylindra, w sposób niezmniejszający, lub zwiększający przewlekłość spalania ładunku danego cylindra przypadającego na każdy cykl jego pracy.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że odporność mieszanki APG i powietrza na spalanie stukowe zwiększa się poprzez regulowany stopień uwarstwienia strug zasysanego w danym cyklu pracy danego cylindra APG oraz powietrza, a w którym regulacji stopnia tego uwarstwienia dokonuje się poprzez dowolną zmianę fazowego przesuwania impulsu sterującego wyzwalającego wtrysk paliwa gazowego względem fazy otwarcia zaworu ssącego w danym cylindrze, skutkującą zmianą czasu mieszania się ładunku powietrza i dawki APG przeznaczonych dla realizacji jednego cyklu pracy danego cylindra, a tym samym różną skutecznością homogenizacji tej mieszanki.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wielkość dawki APG jest przechowywana w pamięci sterownika elektronicznego (2) o strukturze umożliwiającej zapisanie przynajmniej jednej jej

PL 221 746 B1 wartości, a korzystnie różnych wartości dla różnych stanów dynamicznych silnika, wyrażonych wielkością obciążenia oraz prędkością obrotową, w postaci tabeli funkcji tych dwóch zmiennych.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do maksymalnej ustalonej dla danego cylindra w danym stanie dynamicznym dawki APG dodaje się zredukowaną dawkę CPP dobieraną w ten sposób, że dokonuje się monitorowania wielkości nierównomierności prędkości obrotowej wału korbowego silnika, wywołanej zapłonami w poszczególnych cylindrach danego silnik a i na tej podstawie określa względną wartość energii zapłonu w każdym cylindrze, a następnie dokonuje się analizy poró wnawczej energii zapłonu w cylindrze zasilanym dwupaliwowo z energią zapłonu w tym samym cylindrze zasilanym wyłącznie niemodyfikowaną dawką CPP, przy czym zredukowaną dawkę paliwa podstawowego ustala się w taki sposób, aby różnica (Δω1) pomiędzy świadczącą o energii zapłonu wielkością nierównomierności biegu wału korbowego przypadającą na zapłon w cylindrze zasilanym dwupaliwowo, a wielkością nierównomierności biegu wału korbowego wywołaną zapłonem w cylindrze zasilanym wyłącznie paliwem bazowym, zmierzała do zera, a proces ten realizowany jest na etapie wstępnej kalibracji systemu zasilania dwupaliwowego indywidualnie dla każdego cylindra.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do maksymalnej ustalonej dla danego cylindra w danym stanie dynamicznym dawki APG dodaje się zredukowaną dawkę CPP dobieraną w ten sposób, że dokonuje się monitorowania wielkości nierównomierności prędkości obrotowej wału korbowego silnika, wywołanej zapłonami w poszczególnych cylindrach danego silnika i na tej podstawie określa względną wartość energii zapłonu w każdym cylindrze, a następnie dokonuje się analizy poró wnawczej energii zapłonu w cylindrze zasilanym dwupaliwowo, podlegającym regulacji w danej chwili dwupaliwowo z energią zapłonu w innym cylindrze zasilanym dwupaliwowo, przy czym zredukowaną dawkę paliwa podstawowego ustala się w taki sposób, aby różnica (Δω2) pomiędzy świadczącą o energii zapłonu wielkością nierównomierności biegu wału korbowego przypadającą na zapłon w cylindrze, dla którego ustalana jest dawka, a wielkością nierównomierności biegu wału korbowego wywołaną zapłonem w innym cylindrze zasilanym dwupaliwowo, zmierzała do zera, a proces ten realizowany jest w czasie rzeczywistym, na etapie ciągłej pracy silnika zasilanego dwupaliwowo, indywidualnie dla każdego cylindra,
6. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że dane o maksymalnej możliwej wielkości redukcji dawki CPP wypracowane w czasie kalibracji systemu według wynalazku, przechowywane są w strukturze pamięci sterownika (2), umożliwiającej zapamiętanie przynajmniej jednej ich wartości indywidualnie dla każdego cylindra, a korzystnie, dla różnych stanów dynamicznych silnika wyrażonych wielkością obciążenia oraz prędkością obrotową, w postaci tabeli funkcji tych dwóch zmiennych
7. Sposób według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że skonstruowanie impulsu sterującego wtryskiem zredukowanej dawki CPP odbywa się poprzez przejęcie przez sterownik (2) oryginalnego, pierwotnego impulsu_sterującego wtryskiem CPP realizowanym przez wtryskiwacze (12a, 12b, 12c...). wytworzonego przez oryginalny sterownik zasilania silnika (1), dokonanie pomiaru czasu (t1) trwania tego impulsu, i na tej podstawie skonstruowanie impulsu wtórnego, dwustanowego, zawierającego niezmienioną w stosunku do sygnału pierwotnego część zawierającą przynajmniej jeden wtrysk pilotażowy (w1) CPP, oraz część obejmującą główną dawkę CPP, w której redukcja ilości CPP realizowana jest poprzez zastąpienie w obrębie tej części sygnału ciągłego (w3) wykonawczym sygnałem przerywanym (w4), zawierającym przynajmniej jeden stan niski (ii), a rozpoczynającego się i kończącego stanem wysokim, dla zapewnienia utrzymania identycznego z oryginalnym dla danego cyklu pracy danego cylindra sumarycznego czasu jego trwania (t1) i tym samym utrzymania przewlekłości spalania w danym cyklu pracy danego cylindra na optymalnym poziomie.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do wykrywania spalania detonacyjnego w danym cylindrze danego silnika zasilanego dwupaliwowo, wywołanego przekroczeniem maksymalnej dla danego stanu dynamicznego silnika dawki gazowego paliwa alternatywnego wykorzystuje się czujnik położenia wału korbowego (14) i wału rozrządczego silnika (15), i/lub czujnik położenia wału korbowego (15) i pierwotne sygnały sterujące wtryskiwaczami CPP (12a, 12b, 12c...), do określania w czasie rzeczywistym dokładnego położenia kątowego wału korbowego i kolejności realizacji zapłonów w cylindrach silnika, z jednoczesnym prowadzeniem ciągłej detekcji sygnału z przynajmniej jednego czujnika spalania stukowego (17), którego wartość (knk gaz.) odczytana w wyznaczonym oknie czasowym (okno cyl1) wyrażonym kątem obrotu wału korbowego przypadającym na zapłon ładunku w danym cylindrze zasilanym dwupaliwowo, odniesiona do ustalonego poziomu progowego (knk prog.) wyznaczonego w sposób analogiczny dla tego cylindra podczas zasilania wyłącznie paliwem podstawowym, pozwala na precyzyjne wykrycie hałaśliwości silnika zwiększonej na skutek

PL 221 746 B1 spalania detonacyjnego w danym cylindrze, wywołanego przekroczeniem maksymalnej dawki gazu dla danych chwilowych warunków pracy danego cylindra, w efekcie czego dokonuje się adaptacyjnego korygowania sposobem według wynalazku dawek APG dla każdego cyklu pracy w każdym cyli ndrze danego silnika oddzielnie.
9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że dla danego cyklu pracy w danym cylindrze danego silnika do zdefiniowanej wstępnie, przechowywanej w pamięci elektronicznego sterownika dawki paliwa alternatywnego przeznaczonej dla danego stanu dynamicznego silnika, w danym cylindrze w danej chwili, dodaje się dawkę korekcyjną, której maksymalna wielkość limitowana jest wystąpieniem w tym cylindrze zjawiska spalania detonacyjnego ustalonego sposobem według wynalazku, a dawka CPP jest redukowana odpowiednio do zwiększania dawki APP, dla utrzymania sumarycznej wartości energetycznej dawki łącznej obu paliw, natomiast wielkość wypracowanej dawki korekcyjnej jest przechowywana w strukturze pamięci elektronicznego sterownika zasilania gazem, umożliwiającej zapisanie przynajmniej jednej jej wartości, a korzystnie różnych wartości dla różnych stanów dynamicznych silnika, wyrażonych wielkością obciążenia oraz prędkością obrotową, w postaci tabeli funkcji tych dwóch zmiennych.
10. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że dla danego cyklu pracy w danym cylindrze danego silnika, od zdefiniowanej wstępnie, przechowywanej w pamięci elektronicznego sterownika dawki paliwa alternatywnego odejmuje się dawkę korekcyjną, której wielkość przestaje się zwiększać w chwili ustania w tym cylindrze zjawiska spalania detonacyjnego ustalonego sposobem wedle wynalazku, i której wielkość w chwili osiągnięcia takiego stanu jest uznana za optymalną pod kątem maksymalizacji udziału paliwa gazowego w sumarycznej dawce obu paliw i jako taka jest przechowywana w strukturze pamięci elektronicznego sterownika zasilania gazem, umożliwiającej zapisanie przynajmniej jednej jej wartości, a korzystnie różnych wartości dla różnych stanów dynamicznych silnika, wyrażonych wielkością obciążenia oraz prędkością obrotową, w postaci tabeli funkcji tych dwóch zmiennych.