RU51402U1

RU51402U1 - INTERNAL COMBUSTION ENGINE CONTROL SYSTEM FOR WORKING ON A COMPRESSED NATURAL GAS

Info

Publication number: RU51402U1
Application number: RU2005127773/22U
Authority: RU
Inventors: Олег Леонидович Трещин; Сергей Борисович Тонкий; Владимир Леонидович Жбанников
Original assignee: Открытое акционерное общество "Заволжский моторный завод"
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2006-02-10

Abstract

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к системам топливоподачи тыи зажигания, и включает построение и стратегию управления ДВС с искровым зажиганием при работе на сжатом природном газе. Технический результат - устранение влияния дестабилизирующих факторов внешней среды на точную оптимальную топливоподачу газа на всех режимах работы при работе на метане и обеспечение работы двигателя в окне бифункциональности с предварительной подготовкой катализатора. Для этого в системе управления выполнен подогреватель метана со встроенными датчиком высокого давления и дозатором газа, выполненным с форсунками, причем смеситель установлен за дросселем перед впускной трубой двигателя, а перед смесителем установлены датчики температуры и давления газа, кроме этого электронный блок управления формирует управление углом опережения зажигания через катушку зажигания.The utility model relates to the field of engine building, namely, fuel ignition supply systems, and includes the construction and control strategy of internal combustion engines with spark ignition when operating on compressed natural gas. The technical result is the elimination of the influence of destabilizing environmental factors on the exact optimal fuel supply of gas at all operating modes when operating on methane and ensuring the operation of the engine in the bifunctionality window with preliminary preparation of the catalyst. For this, the control system has a methane heater with built-in high-pressure sensor and a gas dispenser made with nozzles, and the mixer is installed behind the throttle in front of the engine inlet pipe, and gas temperature and pressure sensors are installed in front of the mixer, in addition, the electronic control unit generates an advance angle control ignition through the ignition coil.

Description

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к системам топливоподачи и зажигания, и включает построение и стратегию управления ДВС с искровым зажиганием при работе на сжатом природном газе.The utility model relates to the field of engine building, namely to fuel supply and ignition systems, and includes the construction and control strategy of internal combustion engines with spark ignition when operating on compressed natural gas.

Известно устройство топливоподачи для ДВС, содержащее карбюратор-смеситель с дроссельной заслонкой и присоединенной системой питания бензином с фильтром тонкой очистки и бензобаком, и система питания газом с последовательно соединенными газовыми баллонами, фильтром с электромагнитным запорным клапаном и газовым редуктором (см. патент РФ №2009355 от 25.02.91 г, кл. F 02 M 13/08).A fuel supply device for internal combustion engines is known, comprising a carburetor mixer with a throttle valve and an attached gas supply system with a fine filter and a gas tank, and a gas supply system with gas cylinders connected in series, a filter with an electromagnetic shut-off valve and a gas reducer (see RF patent No. 2009355 from 02.25.91 g, class F 02 M 13/08).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных систем является то, что при изменении параметров внешней среды и сопротивления воздуха на впуске в двигатель проявляется нестабильность подачи газа в двигатель, что приводит к нарушению оптимальной подачи газа в цилиндры двигателя в соответствии с режимом работы двигателя.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using known systems is that when changing the parameters of the environment and air resistance at the inlet to the engine, instability of gas supply to the engine appears, which leads to a violation of the optimal gas supply to the engine cylinders in accordance with the mode engine operation.

Наиболее близким устройством того назначения к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является система питания многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащая бензиновую часть, включающую бензобак и бензонасос, и систему питания газом, включающую редуктор высокого давления, последовательно подсоединенные баллоны с газом, электромагнитный клапан, редуктор низкого давления, карбюратор-смеситель, электрический дозатор газа, изменяющим проходное сечение канала для подачи газа по команде от The closest device for that purpose to the claimed utility model in terms of essential features is the power system of a multi-cylinder internal combustion engine with spark ignition containing a gasoline part including a gas tank and gas pump, and a gas power system including a high pressure reducer, gas cylinders connected in series, electromagnetic valve, low pressure reducer, carburetor mixer, electric gas dispenser, changing the flow area of the feed channel team from aza

электронного блока управления, получающему сигналы от датчиков, отслеживающих состав рабочей смеси в цилиндрах в зависимости от режимов работы двигателя и изменяющихся условий окружающей среды и сопротивления воздуха на впуске, датчик частоты вращения коленчатого вала и датчик абсолютного давления (см. патент на полезную модель РФ №36127 от 25.02.91 г, кл. F 02 M 21/00).an electronic control unit that receives signals from sensors that monitor the composition of the working mixture in the cylinders depending on engine operating conditions and changing environmental conditions and intake air resistance, a crankshaft speed sensor and an absolute pressure sensor (see patent for utility model of the Russian Federation No. 36127 dated 02.25.91 g, class F 02 M 21/00).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, является то, что при применении редуктора низкого давления, работающего по обратной связи от разрежения (нагрузки) за дросселем, в связке со смесителем, устанавливаемым за трубкой Вентури двигателя, базовая подача газа в ДВС осуществляется не оптимальным образом. Это делает невозможным, при наличии λ-регулирования смеси с использованием электронного дозатора уменьшить выбросы вредных веществ в отработавших газах на отдельных режимах работы, в том числе - из-за неготовности катализатора. Отсутствие информации о температуре газа на входе в двигатель не позволяет проводить температурную коррекцию топливоподачи и угла опережения зажигания, что негативно влияет на режим прогрева ДВС и его энергетические показатели, и не обеспечивает подготовку λ-зонда на холодном двигателе. Кроме этого, при снижении давления метана до уровня давления разрежения на входе в двигатель, происходит расширение и охлаждение газа. Несмотря на подогрев газа в редукторе низкого давления, сохраняется некоторая зависимость топливоподачи газа от внешних условий. Причем, требуется дополнительная доработка серийного карбюратора, а схема подачи газа применима только на карбюраторных бензиновых двигателях внутреннего сгорания.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device adopted for the prototype is that when using a low pressure reducer working on feedback from vacuum (load) behind the throttle, in conjunction with a mixer installed behind the venturi of the engine , the basic gas supply to the internal combustion engine is not optimal. This makes it impossible, in the presence of λ-regulation of the mixture using an electronic metering device, to reduce emissions of harmful substances in the exhaust gases in separate operating modes, including due to the unavailability of the catalyst. The lack of information about the gas temperature at the engine inlet does not allow temperature correction of the fuel supply and the ignition timing, which negatively affects the internal combustion engine warm-up mode and its energy indicators, and does not provide for the preparation of a λ probe in a cold engine. In addition, with a decrease in methane pressure to the level of rarefaction pressure at the engine inlet, gas expansion and cooling occur. Despite the heating of the gas in the low pressure reducer, some dependence of the fuel supply of gas on external conditions is preserved. Moreover, additional refinement of the serial carburetor is required, and the gas supply scheme is applicable only to carbureted gasoline internal combustion engines.

Сущность изобретения - создание универсальной системы управления для карбюраторных и впрысковых бензиновых ДВС с различным рабочим объемом при работе на метане, исключающей влияние дестабилизирующих факторов внешней среды на оптимальную подачу газа в цилиндры двигателя и The essence of the invention is the creation of a universal control system for carburetor and injection gasoline ICEs with different working volumes when working on methane, eliminating the influence of destabilizing environmental factors on the optimal gas supply to the engine cylinders and

обеспечивающей его работу в окне бифункциональности с предварительной подготовкой катализатора.ensuring its operation in the bifunctionality window with preliminary preparation of the catalyst.

Технический результат - устранение влияния дестабилизирующих факторов внешней среды на точную оптимальную топливоподачу газа на всех режимах работы при работе на метане и обеспечение работы двигателя в окне бифункциональности с предварительной подготовкой катализатора.The technical result is the elimination of the influence of destabilizing environmental factors on the exact optimal fuel supply of gas at all operating modes when operating on methane and ensuring the operation of the engine in the bifunctionality window with preliminary preparation of the catalyst.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в системе управления двигателем внутреннего сгорания для работы на сжатом природном газе, включающей бензиновую часть, систему питания газом, включающую смеситель, дозатор газа, редуктор высокого давления, электромагнитный клапан газа, последовательно подсоединенные баллоны, электронный блок управления, датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик абсолютного давления, особенностью является то, что в системе управления выполнен подогреватель метана со встроенными датчиком высокого давления и дозатором газа, выполненным с форсунками для впрыска газа в двигатель через смеситель, установленный за дросселем перед впускной трубой двигателя, а перед смесителем выполнены датчики температуры и низкого давления газа, что позволяет исключить нестабильность подачи метана на различных режимах работы ДВС, с учетом дестабилизирующих факторов внешней среды, условий работы редуктора высокого давления и режима работы двигателя, с обеспечением подготовки катализатора и λ-зонда и температурной коррекцией топливоподачи и угла опережения зажигания. Кроме этого, выполнен электронный блок управления, формирующий управлением углом опережения зажигания через катушку зажигания.The specified technical result in the implementation of the utility model is achieved by the fact that in the control system of an internal combustion engine for operation on compressed natural gas, including a gasoline part, a gas supply system including a mixer, a gas meter, a high pressure reducer, a gas solenoid valve, gas cylinders connected in series, electronic control unit, crankshaft speed sensor, absolute pressure sensor, the feature is that a heater is made in the control system methane with a built-in high pressure sensor and gas dispenser made with nozzles for injecting gas into the engine through a mixer installed behind the throttle in front of the engine intake pipe, and temperature and low gas pressure sensors are made in front of the mixer, which eliminates the instability of methane supply in various operating modes ICE, taking into account the destabilizing factors of the external environment, the operating conditions of the high pressure reducer and the engine operating mode, with the preparation of the catalyst and λ probe and temperatures molecular correction fuel supply and ignition timing. In addition, an electronic control unit has been formed, which forms the control of the ignition timing through the ignition coil.

На чертеже представлена система управления топливоподачей и углом опережения зажигания многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.The drawing shows a control system for the fuel supply and the ignition timing of a multi-cylinder internal combustion engine.

Система управления включает:The management system includes:

двигатель внутреннего сгорания 1 с искровым зажиганием, баллоны со сжатым природным газом 2 с топливными вентилями 4 и узлом заправки 3, internal combustion engine 1 with spark ignition, compressed natural gas cylinders 2 with fuel valves 4 and refueling unit 3,

трубопровод высокого давления 5, магистральный электромагнитный запорный клапан газа высокого давления 6, редуктор высокого давления 7, дополнительный подогреватель метана 8 с датчиком высокого давления 11 и дозатором 10, имеющем форсунки 9, смеситель 12, размещенный перед впускной трубой 13 (за дроссельным узлом воздушного приемного тракта А), что позволяет по универсальной схеме сопрягать системы топливоподачи карбюраторных и впрысковых бензиновых двигателей с системой топливоподачи газа, датчик низкого давления с интегрированным датчиком температуры газа 14, датчик кислорода 15, установленный перед бифункциональным катализатором 16, датчик частоты вращения коленчатого вала 17 с диском синхронизации 18, датчик абсолютного давления 20, катушку зажигания 21, датчик - распределитель 22, блок управления 19, проводящий диагностику системы и формирующий сигналы при наличии неисправностей на индикатор диагностики 23 и диагностический разъем 24.high pressure pipe 5, main solenoid shutoff valve for high pressure gas 6, high pressure reducer 7, additional methane heater 8 with high pressure sensor 11 and dispenser 10 having nozzles 9, mixer 12 located in front of the inlet pipe 13 (behind the throttle assembly of the air intake tract A), which makes it possible to interconnect fuel supply systems for carburetor and injection gasoline engines with a gas fuel supply system, a low pressure sensor with an integrated sensor m of gas temperature 14, an oxygen sensor 15 installed in front of the bifunctional catalyst 16, a speed sensor of the crankshaft 17 with a synchronization disk 18, an absolute pressure sensor 20, an ignition coil 21, a sensor distributor 22, a control unit 19 that conducts system diagnostics and generates signals if there is a malfunction, the diagnostic indicator 23 and diagnostic connector 24.

Работа системы управления осуществляется следующим образом: Газ, находящийся под высоким давлением в баллонах 2, имеющих узел заправки 3, через топливный вентиль 4, трубопровод высокого давления 5, магистральный электромагнитный запорный клапан газа высокого давления 6 поступает в редуктор высокого давления 7, снижающий давление газа до рабочего давления топливных форсунок 9. Для стабилизации температуры топлива от изменения перепада давления газа на редукторе высокого давления 7 и от нагрузки (режимной точки) двигателя, используется дополнительный подогреватель метана 8, с подводом охлаждающей жидкости от двигателя 1. В подогреватель интегрирован дозатор 10 и датчик высокого давления 11, контролирующий давление газа перед газовыми форсунками. Форсунки 9 установлены в каналы дозатора 10 в направлении, наиболее благоприятном для ламинарного потока истечения газа. Количество форсунок в составе дозатора может варьироваться в зависимости от рабочего объема двигателя. Для качественного приготовления смеси, подвод газа в ДВС осуществляется через смеситель 12.The control system operates as follows: Gas under high pressure in cylinders 2 having a filling station 3 through a fuel valve 4, a high pressure pipe 5, a main electromagnetic shut-off valve for high pressure gas 6 enters the high pressure reducer 7, which reduces the gas pressure to the working pressure of the fuel nozzles 9. To stabilize the fuel temperature from changing the pressure drop of the gas at the high pressure reducer 7 and from the load (mode point) of the engine, an additional tional methane preheater 8, with a supply of coolant from the engine 1. In the integrated heater and dispenser probe 10 of high pressure 11, which controls the gas pressure before the gas nozzles. The nozzles 9 are installed in the channels of the dispenser 10 in the direction most favorable for the laminar flow of gas outflow. The number of nozzles in the dispenser may vary depending on the displacement of the engine. For high-quality preparation of the mixture, the gas is supplied to the internal combustion engine through the mixer 12.

Для контроля давления и температуры потока газа на входе в двигатель применяется датчик низкого давления 14 с интегрированным датчиком температуры.To control the pressure and temperature of the gas flow at the inlet of the engine, a low pressure sensor 14 with an integrated temperature sensor is used.

Суммарная цикловая подача дозатора является функцией длительности открытия форсунок на каждой режимной точке ДВС, определяемой координатами нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, с учетом рабочего перепада давления газа, напряжения бортовой сети и температуры метана, поступающего в ДВС.The total cyclic feed of the dispenser is a function of the duration of the nozzle opening at each ICE mode point, determined by the coordinates of the load and the crankshaft rotation speed, taking into account the working pressure drop of the gas, the voltage of the on-board network and the temperature of the methane entering the ICE.

Стратегия управления топливоподачей состоит в изменении массы метана, поступающего в двигатель, по обратной связи от датчика кислорода (λ-зонда) 15, размещенного перед бифункциональным катализатором 16 в системе выпуска отработавших газов, с целью поддержания стехиометрического состава топливовоздушной смеси.The fuel supply control strategy consists in changing the mass of methane entering the engine by feedback from an oxygen sensor (λ probe) 15 located in front of the bifunctional catalyst 16 in the exhaust system to maintain the stoichiometric composition of the air-fuel mixture.

Датчик частоты вращения коленчатого вала 17 формирует электрический сигнал переменного напряжения при взаимодействии его магнитного поля с зубчатым диском синхронизации шкива коленчатого вала 18. По сигналу датчика частоты вращения коленчатого вала 17 блок управления 19 определяет положение коленчатого вала, рассчитывает сегментный интервал по цилиндрам, осуществляет общую синхронизацию системы и определяет частоту вращения коленчатого вала. Информация о частоте вращения коленчатого вала дополнительно позволяет контролировать пропуски зажигания для поддержания в исправном состоянии катализатора.The speed sensor of the crankshaft 17 generates an electrical signal of alternating voltage when its magnetic field interacts with the synchronization gear of the pulley of the crankshaft 18. Based on the signal from the speed sensor of the crankshaft 17, the control unit 19 determines the position of the crankshaft, calculates the segment interval for the cylinders, performs general synchronization system and determines the speed of the crankshaft. Information on the rotational speed of the crankshaft additionally allows you to control the misfire to maintain the catalyst in good condition.

По сигналу датчика абсолютного давления 20 осуществляется измерение абсолютного давления во впускной трубе двигателя 13, используемого системой управления в качестве параметра нагрузки. Подвод разрежения к датчику - после дроссельного узла двигателя.The signal from the absolute pressure sensor 20 measures the absolute pressure in the intake pipe of the engine 13, which is used by the control system as a load parameter. The vacuum supply to the sensor is after the throttle assembly of the engine.

Управление углом опережения зажигания является параметрической функцией в координатах нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, с учетом температуры газа, поступающего в двигатель. Информация о частоте вращения коленчатого вала позволяет блоку управления 19 проводить The control of the ignition timing is a parametric function in the coordinates of the load and engine speed, taking into account the temperature of the gas entering the engine. Information on the rotational speed of the crankshaft allows the control unit 19 to conduct

динамическую коррекцию угла опережения зажигания от скорости изменения частоты вращения двигателя.dynamic correction of the ignition timing angle from the rate of change of the engine speed.

Блок управления 19 формирует зажигание в цилиндрах ДВС, управляя током накопления первичной обмотки катушки (катушек) зажигания. Нормирование тока в первичной обмотке катушки - функция времени накопления и напряжения бортовой сети автомобиля.The control unit 19 forms the ignition in the cylinders of the internal combustion engine, controlling the accumulation current of the primary winding of the ignition coil (s). Current normalization in the primary winding of the coil is a function of the accumulation time and voltage of the vehicle electrical system.

В системе зажигания карбюраторного ДВС реализована высоковольтная цепь с одной катушкой зажигания 21 и динамическим распределением высокого напряжения на электроды свечей зажигания соответствующего цилиндра через датчик - распределитель 22 (серийный распределитель зажигания с отключенным вакуумным автоматом). Для защиты катализатора и снижения уровня пропусков зажигания, с применением многовыводной катушки (катушек) зажигания и статической системой зажигания более предпочтителен.The ignition system of the carburetor ICE implements a high-voltage circuit with one ignition coil 21 and dynamic high-voltage distribution to the electrodes of the spark plugs of the corresponding cylinder through the sensor - distributor 22 (serial ignition distributor with the vacuum machine turned off). To protect the catalyst and reduce misfire, using a multi-pin ignition coil (s) and a static ignition system is preferable.

Блок управления 19 обрабатывает сигналы от датчиков и формирует команды управления исполнительными устройствами и механизмами, в том числе подготавливает к работе λ-зонд 15 на холодном двигателе, подавая напряжение бортовой сети в цепь подогрева датчика, и контролирует его работу, измеряя ток и напряжение на датчике. Блок управления 19 проводит диагностику системы, и, при наличии неисправностей, формирует сигнал на индикатор диагностики 23. Система управления, через диагностический разъем 24, позволяет контролировать свое состояние с использованием технологического оборудования и внешнего диагностического тестера.The control unit 19 processes the signals from the sensors and generates control commands for actuators and mechanisms, including preparing the λ probe 15 for operation on a cold engine, supplying the voltage of the on-board network to the sensor heating circuit, and monitors its operation by measuring the current and voltage on the sensor . The control unit 19 carries out the diagnostics of the system, and, in the event of malfunctions, generates a signal to the diagnostic indicator 23. The control system, through the diagnostic connector 24, allows you to monitor your condition using processing equipment and an external diagnostic tester.

Блок управления 19 может быть единым (применение на газовых, бензиновых и битопливных двигателях) или дополнительным (функциональное сопряжение с блоками управления бензиновых двигателей по линии CAN 25, коммутация и электрическая развязка общих цепей, реализованная в дополнительном блоке управления).The control unit 19 can be single (application on gas, gasoline, and dual-fuel engines) or optional (functional interfacing with gasoline engine control units via CAN 25 line, switching and electrical isolation of common circuits implemented in an additional control unit).

Преимущество заявленной полезной модели состоит в том, что предложенная схема построения системы управления обеспечивает The advantage of the claimed utility model is that the proposed scheme for constructing a control system provides

универсальность ее применения, без существенной доработки карбюраторных и впрысковых бензиновых ДВС различного рабочего объема, с выполнением норм токсичности не ниже уровня EURO II.the versatility of its use, without significant refinement of carburetor and injection gasoline ICEs of various working volumes, with compliance with toxicity standards not lower than EURO II.

Claims

1. The control system of an internal combustion engine for working on compressed natural gas, comprising a gasoline part, a gas supply system including a mixer, a gas meter, a high pressure reducer, a solenoid valve, gas cylinders connected in series, an electronic control unit, a crankshaft speed sensor , absolute pressure sensor, characterized in that the control system has a methane heater with built-in high pressure sensor and gas dispenser.

2. The control system according to claim 1, characterized in that the gas dispenser is made with nozzles.

3. The control system according to claim 1, characterized in that the mixer is installed behind the throttle in front of the intake pipe of the engine.

4. The control system according to claim 1, characterized in that the temperature and pressure sensors of the gas are installed in front of the mixer.

5. The control system according to claim 1, characterized in that the electronic control unit generates control of the ignition timing through the ignition coil.