RU2065989C1 - Method of central injection of fuel into internal combustion engine - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: central fuel meter is made in form of several (N) similar design simple and slow-acting fuel valves. Each fuel valve, by signal from separate circuit of electronic control unit, is periodically opened for fuel metering period of time not exceeding sum of N periods of maximum possible frequency of pulses from speed transmitter or from ignition system of internal combustion engine and it injects 1/N portion of fuel required for operation mode of internal combustion engine. At preset parameters of internal combustion engine, number N is defined only by possibility of reliable realization of simplified requirements to separate fuel valve. The greater the number N, the greater the time of opening and closing of fuel valve, and the smaller the amount of fuel handled by valve and the smaller the value of travel of valve movable portion. Moments of beginning of opening of each fuel valve determined by electronic control unit are periodically repeated at frequency N times smaller than pulse recurrence rate of speed transmitter, and phases of moments of beginning of opening of separate fuel valves in central fuel meter relative to each other are equally shifted cyclically in time through value of current interval between two neighboring pulses of speed transmitter. EFFECT: possibility of realization of central injection and metering of gaseous or liquid fuel in internal combustion engines of any power rating at any preset number of cylinders, any summary swept volume and any maximum speed of crankshaft of internal combustion engine. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области управления подачей топлива в двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Оно может быть использовано в системах питания автомобильных, авиационных, судовых и других многоцилиндровых высокооборотных ДВС с центральным впрыском газообразного или жидкого топлива. The invention relates to the field of controlling the supply of fuel to an internal combustion engine (ICE). It can be used in power systems of automobile, aviation, ship and other multi-cylinder high-speed ICEs with central injection of gaseous or liquid fuel.

Известны системы центрального впрыска топлива в ДВС (патент США N 4718383, кл. F 02 M 7/00, 1988; заявка Великобритании N 1556998, кл. F 02 M 51/02, 1988). Но в качестве прототипа целесообразно рассмотреть систему центрального впрыска топлива фирмы BOSCH, представленную на интернациональном конгрессе и выставке в Детройте, Мичиган в феврале 1987, а также на международной выставке в Москве в 1989. Эта система содержит датчик оборотов ДВС, датчик угла поворота дроссельной заслонки и другие датчики, соединенные с электронным блоком управления, выход которого через усилитель подключен к центральному дозатору топлива, выполненному с использованием электромагнитного клапана-форсунки. Known systems of central fuel injection in the internal combustion engine (US patent N 4718383, CL F 02 M 7/00, 1988; UK application N 1556998, CL F 02 M 51/02, 1988). But as a prototype, it is advisable to consider the BOSCH central fuel injection system presented at the international congress and exhibition in Detroit, Michigan in February 1987, as well as at the international exhibition in Moscow in 1989. This system contains an engine speed sensor, a throttle angle sensor, and other sensors connected to an electronic control unit, the output of which through an amplifier is connected to a central fuel metering device, made using an electromagnetic nozzle valve.

Реализованный в указанных системах способ центрального впрыска основан на времяимпульсном дозировании топлива прецизионными быстродействующими клапанами-форсунками в очень малом интервале времени, определяемом длительностью такта всасывания в одном цилиндре при максимальных оборотах ДВС. The central injection method implemented in the indicated systems is based on time-pulse fuel metering with precision fast-acting nozzle valves in a very short time interval determined by the duration of the suction stroke in one cylinder at maximum engine speeds.

Поэтому указанные системы не могут обеспечить центральный впрыск топлива при существенном увеличении мощности ДВС, которая может быть достигнута, например, совокупностью следующих параметров: увеличением числа цилиндров ДВС (например, больше 8); увеличением максимальных оборотов коленвала ДВС (например, больше 10000 об/мин); увеличением суммарного объема цилиндров ДВС (например, больше 10 литров). Therefore, these systems cannot provide central fuel injection with a significant increase in the power of the internal combustion engine, which can be achieved, for example, by a combination of the following parameters: an increase in the number of internal combustion engine cylinders (for example, more than 8); increase in maximum engine crankshaft revolutions (for example, more than 10,000 rpm); an increase in the total volume of ICE cylinders (for example, more than 10 liters).

Указанные системы не могут также обеспечить центральный впрыск в ДВС газообразного топлива. These systems cannot also provide central injection of gaseous fuel into the internal combustion engine.

Причиной ограниченности возможностей существующих систем центрального впрыска является то, что при увеличении числа цилиндров ДВС, их суммарного объема, при росте максимальных оборотов ДВС и его мощности очень сильно ужесточаются временные, объемно-пропускные, ресурсно-надежностные, конструктивные, технологические, электромагнитные и эксплуатационные требования, предъявляемые к центральному дозатору топлива, в частности к используемым в нем прецизионным клапанам-форсункам. Причем для газообразного топлива ужесточение этих требований происходит быстрее, чем для жидкого топлива. The reason for the limited capabilities of existing central injection systems is that with an increase in the number of ICE cylinders, their total volume, with an increase in the maximum speed of the ICE and its power, the temporal, volumetric, throughput, resource-reliable, structural, technological, electromagnetic and operational requirements are very tightened presented to the central fuel metering device, in particular to the precision nozzle valves used therein. Moreover, for gaseous fuels, the tightening of these requirements is faster than for liquid fuels.

При указанных выше (заданных для примера) параметрах ДВС в существующих дозаторах клапан-форсунка для центрального впрыска жидкого, и тем более газообразного топлива, практически не может быть реализован, так как в этом случае электромагнитный клапан-форсунка должен бы был гарантированно обеспечить при более высокой производительности время одного полного цикла впрыска топлива (открывание, дозирование, закрывание) в режиме максимальной мощности ДВС менее 1,5 мс, а в режиме холостого хода ДВС менее 0,4 мс, что практически невыполнимо. With the above-mentioned (specified for example) ICE parameters in existing dispensers, the valve-nozzle for central injection of liquid, and even more so gaseous fuel, can hardly be realized, since in this case the electromagnetic valve-nozzle should have been guaranteed to be provided at a higher productivity, the time of one full cycle of fuel injection (opening, dosing, closing) in the maximum power mode of the internal combustion engine is less than 1.5 ms, and in the idle mode of the internal combustion engine is less than 0.4 ms, which is practically impossible.

Задачей изобретения являются: обеспечение возможности реализации системы центрального впрыска газообразного (а также жидкого) топлива под давлением в ДВС любой требуемой мощности, с любым заданным числом цилиндров, с любым суммарным объемом цилиндров, с любыми максимальными оборотами коленчатого вала при сохранении всех положительных качеств, присущих системам с впрыском топлива высокой точности дозирования топлива, высокой экономичности расхода топлива и выполнения требований современных экологических норм на ДВС; существенное упрощение требований к временным и объемно-пропускаемым параметрам топливных клапанов (ТК), используемых в центральном дозаторе топлива; увеличение ресурса работы центрального дозатора топлива, повышение эксплуатационной надежности системы центрального впрыска в целом. The objective of the invention are: providing the possibility of implementing a central injection system of gaseous (as well as liquid) fuel under pressure in an internal combustion engine of any required power, with any given number of cylinders, with any total cylinder volume, with any maximum crankshaft speed while maintaining all the positive qualities inherent fuel injection systems with high precision fuel metering, high fuel economy and meeting the requirements of modern environmental standards for internal combustion engines; a significant simplification of the requirements for temporary and space-passed parameters of the fuel valves (TC) used in the central fuel dispenser; increasing the life of the central fuel dispenser, increasing the operational reliability of the central injection system as a whole.

Задача решается тем, что в способе центрального впрыска газообразного или жидкого топлива, включающем времяимпульсное дозирование топлива в системе питания ДВС, обеспечивающей поддержание давления топлива на входе центрального дозатора, содержащего N топливных клапанов, формирование электронным блоком управления с привязкой к синхронизирующим импульсам от датчика оборотов ДВС каждому топливному клапану индивидуальной последовательности открывающих импульсов, каждый из N топливных клапанов сигналом по отдельной цепи от электронного блока управления периодически открывают на отрезок времени дозирования топлива, не превышающей суммы N периодов максимально возможной частоты следования импульсов от датчика оборотов ДВС, впрыскивая за время открытия одного топливного клапана 1/N долю дозируемого для данного режима работы ДВС количества топлива, при этом моменты начала открывания каждого топливного клапана повторяют периодически с частотой в N раз меньшей частоты следования импульсов от датчика оборотов ДВС, а фазы моментов начала открывания отдельных топливных клапанов относительно друг друга равномерно сдвигают циклически во времени на величину текущего интервала между двумя соседними импульсами датчика оборотов ДВС. В качестве импульсов датчика оборотов ДВС используют импульсы от системы зажигания ДВС. The problem is solved in that in the method of central injection of gaseous or liquid fuel, which includes time-pulse dosing of fuel in the ICE power supply system, which maintains the fuel pressure at the inlet of the central dispenser containing N fuel valves, the electronic control unit is linked to synchronizing pulses from the engine speed sensor each fuel valve with an individual sequence of opening pulses, each of the N fuel valves with a signal on a separate circuit from the electronic about the control unit periodically open for a period of fuel metering, not exceeding the sum of N periods of the maximum possible pulse repetition rate from the engine speed sensor, injecting during the opening of one fuel valve 1 / N the proportion of the quantity of fuel dosed for this engine operation mode, while the opening of each fuel valve is repeated periodically with a frequency N times lower than the pulse repetition rate from the engine speed sensor, and the phases of the moments of the start of opening of the individual fuel valves Anans relative to each other are uniformly shifted cyclically in time by the value of the current interval between two adjacent pulses of the engine speed sensor. The impulses from the engine speed sensor are pulses from the engine ignition system.

На фиг.1 представлена функциональная схема системы центрального впрыска топлива в ДВС; на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие ее работу. Figure 1 presents a functional diagram of a central fuel injection system in an internal combustion engine; in FIG. 2 shows time diagrams explaining its operation.

Система питания ДВС 1, реализующая предлагаемый способ центрального впрыска топлива, содержит тракт топлива, в который входят последовательно соединенные резервуар 2 топлива, топливный фильтр 3, магистральный клапан 4 топлива, устройство 5 обеспечения постоянного давления топлива, центральный дозатор 6 топлива (ЦДТ), смеситель 7 топлива с воздухом, поступающим от дозатора 8 воздуха 9. Электронный блок 10 управления (ЭБУ) получает информацию от датчика 11 импульсов системы зажигания (датчика оборотов), а также от других датчиков 12 ДВС. ЭБУ 10 управляет индивидуально по отдельным цепям 13 с частотой, длительностью и фазой открытия каждого дозирующего ТК 14, 15, 16 в ЦДТ 6. The internal combustion engine 1 power supply system that implements the proposed method of central fuel injection comprises a fuel path, which includes a fuel tank 2 connected in series, a fuel filter 3, a fuel main valve 4, a constant fuel pressure supply device 5, a central fuel dispenser 6 (DTC), a mixer 7 fuel with air coming from the air metering unit 8. The electronic control unit 10 (ECU) receives information from the sensor 11 of the pulses of the ignition system (speed sensor), as well as from other sensors 12 of the internal combustion engine. The ECU 10 individually controls individual circuits 13 with the frequency, duration and phase of the opening of each metering TC 14, 15, 16 in the central heating station 6.

В ЦДТ 6 устанавливается несколько (N) конструктивно простых медленнодействующих ТК 14, 15, 16, суммарная производительность которых и последовательность работы по описанному ниже алгоритму может обеспечить любой многоцилиндровый ДВС требуемым количеством и качеством топливной смеси в интервале всего диапазона оборотов коленвала и нагрузки. In MDC 6, several (N) structurally simple slow-acting TCs 14, 15, 16 are installed, the total performance of which and the sequence of work according to the algorithm described below can provide any multi-cylinder ICE with the required quantity and quality of the fuel mixture in the range of the entire crankshaft speed and load range.

В соответствии с этим алгоритмом каждый ТК а ЦДТ должен полностью открываться импульсом от ЭБУ на отрезок времени дозирования топлива, не превышающий суммы N периодов максимально возможной частоты следования импульсов от системы зажигания ДВС. Выбрав число N достаточно большим, можно обеспечить большие легко реализуемые времена открывания, полностью открытого состояния и закрывания ТК простейшей конструкции. In accordance with this algorithm, each TC and the central heating center must be fully opened by a pulse from the computer for a period of fuel dosing that does not exceed the sum of N periods of the maximum possible pulse repetition rate from the internal combustion engine ignition system. By choosing the number N large enough, it is possible to provide large easily realizable times of opening, fully open state, and closing of TCs of the simplest design.

ЭБУ 10 обеспечивает индивидуально по отдельной цепи каждому ТК в ЦДТ 6 выдачу последовательности одинаковых по амплитуде и длительности открывающих импульсов 18, 19, 20 с частотой в N раз меньшей текущей частоты следования импульсов 17 от системы зажигания, зависящей от текущих оборотов коленвала ДВС. Длительность формируемых ЭБУ импульсов определяет степень дозирования топлива в данном режиме работы ДВС. The ECU 10 provides individually, in a separate circuit, each TC in the central heating station 6 with a sequence of identical in amplitude and duration of the opening pulses 18, 19, 20 with a frequency N times less than the current pulse repetition rate 17 of the ignition system, which depends on the current engine speed. The duration of the pulses generated by the ECU determines the degree of fuel metering in a given internal combustion engine operation mode.

Указанные индивидуальные последовательности импульсов для каждого ТК в ЦДТ циклически сдвинуты по фазе относительно друг друга на величину текущего интервала между двумя соседними импульсами зажигания во всем диапазоне оборотов коленвала ДВС. The indicated individual pulse sequences for each TC in the central heating center are cyclically phase-shifted relative to each other by the value of the current interval between two adjacent ignition pulses in the entire range of engine revolutions.

При наличии в ЦДТ N ТК, каждый из них будет коммутировать 1/N долю дозируемого для данного режима ДВС топлива, что позволяет в N раз уменьшить площадь сечения жиклерного отверстия в каждом отдельном ТК и в

раз уменьшить ход его подвижного элемента. Это обеспечивает уменьшение времени открывания и закрывания ТК, что наиболее существенно при дозировании газообразного топлива.If there is N TC in the central heating center, each of them will commute 1 / N of the proportion of fuel dosed for this mode of ICE, which allows N times to reduce the cross-sectional area of the nozzle hole in each individual TC and in

times reduce the stroke of its movable element. This ensures a decrease in the opening and closing times of the fuel cell, which is most significant when dosing gaseous fuel.

Большие допустимые времена открывания и закрывания ТК уменьшают ускорения и скорости перемещения подвижных частей ТК, ударные нагрузки в нем. Как следствие, уменьшается износ ТК, повышается ресурс его работы и надежность. Появляется возможность использования в конструкции ТК менее дефицитных материалов, возможность упрощения конструкции ЦДТ и технологии его изготовления, уменьшения мощности, необходимой для обеспечения работы одного ТК. Все это приводит к увеличению эксплуатационной надежности системы центрального впрыска топлива в целом. Large allowable opening and closing times of the TC reduce the acceleration and speed of movement of the moving parts of the TC, shock loads in it. As a result, the wear and tear of the fuel cell is reduced, and its service life and reliability are increased. There is the possibility of using less scarce materials in the design of the fuel cell, the possibility of simplifying the design of the central heating station and its manufacturing technology, reducing the power necessary to ensure the operation of one fuel cell. All this leads to an increase in the operational reliability of the central fuel injection system as a whole.

В качестве примера рассмотрим возможный вариант реализации устройства центрального впрыска газообразного топлива для четырех-цилиндровых ДВС с максимальным числом оборотов, равным 6000 об/мин. В этом случае максимальная частота следования импульсов зажигания равна 200 имп/сек. Соответственно минимальный период между двумя соседними импульсами равен 5 мсек. Зададимся некоторыми исходными данными. As an example, we consider a possible embodiment of a central gaseous fuel injection device for a four-cylinder internal combustion engine with a maximum speed of 6000 rpm. In this case, the maximum pulse repetition rate is 200 cps. Accordingly, the minimum period between two adjacent pulses is 5 ms. We will ask some initial data.

Предположим, что легко реализуется дозирующий ТК с временем открывания равным 3 мсек и временем закрывания тоже равным 3 мсек. Предположим также, что количество топлива, впрыскиваемое одним ТК за суммарное время его открывания и закрывания (6 мсек), равно количеству топлива, впрыскиваемого полностью открытым ТК в течение 3 мсек, и достаточно для обеспечения дозирования в режиме холостого хода. Suppose that a dosing TC is easily realized with an opening time of 3 ms and a closing time of 3 ms too. We also assume that the amount of fuel injected by one TC during the total time it opens and closes (6 ms) is equal to the amount of fuel injected by a fully open TC within 3 ms and is sufficient to ensure dosing in idle mode.

Пусть в расчете на один цикл работы одного цилиндра ДВС отношение между максимально и минимально впрыскиваемыми дозами топлива (при предельной нагрузке и на оборотах холостого хода соответственно) составляет 4. Suppose that the ratio between the maximum and minimum injected doses of fuel (at full load and at idle, respectively) per one cycle of operation of one ICE cylinder is 4.

Тогда в режиме максимальной нагрузки ДВС время откpытия ТК должно быть равным 3 мсек х 4 12 мсек. Then, in the maximum load mode of the internal combustion engine, the opening time of the fuel cell should be equal to 3 ms x 4 12 ms.

При принятых исходных данных интервал одного цикла работы ТК, обеспечивающий работу ДВС во всем диапазоне режимов, должен составлять не менее 12 мсек + 3 мсек 15 мсек. Given the initial data, the interval of one cycle of the TC operation, ensuring the operation of the internal combustion engine in the entire range of modes, should be at least 12 ms + 3 ms 15 ms.

Здесь второе слагаемое является временем закрывания ТК. Поэтому примем интервал одного цикла работы одного ТК равным 15 мсек. Here, the second term is the closing time of the TC. Therefore, we take the interval of one cycle of operation of one TC equal to 15 ms.

Для определения числа N необходимо этот интервал времени разделить на период максимально возможной частоты следования импульсов зажигания
N 15 мсек 5 мсек 3
Таким образом, в нашем примере ЦДТ должен содержать три простых дозирующих ТК. При этом через площадь сечения жиклерного отверстия каждого ТК будет проходить 1/3 часть необходимого для работы ДВС количества топлива.To determine the number N, it is necessary to divide this time interval into the period of the maximum possible pulse repetition rate
N 15 ms 5 ms 3
Thus, in our example, the MDT should contain three simple dosing TCs. At the same time, 1/3 of the amount of fuel necessary for the operation of the internal combustion engine will pass through the cross-sectional area of the nozzle hole of each fuel cell.

Работа четырехцилиндрового ДВС с трехклапанных ЦДТ иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на фиг. 2 для числа оборотов, равного 6000 об/мин при частично открытой воздушной заслонке. На фигуре показаны: последовательность 17 импульсов зажигания с периодом, равным 5 мсек; фазы трех циклически сдвинутых последовательностей импульсов 18, 19, 20 напряжения одинаковой длительности, формируемых ЭБУ отдельно для каждого ТК в ЦДТ; диаграммы 21, 22, 23 работы трех ТК в ЦДТ. The operation of a four-cylinder internal combustion engine with a three-valve DTC is illustrated by the timing diagrams shown in FIG. 2 for a speed of 6,000 rpm with a partially open air damper. The figure shows: a sequence of 17 ignition pulses with a period equal to 5 ms; phases of three cyclically shifted sequences of voltage pulses 18, 19, 20 of the same duration, generated by the ECU separately for each TC in the central heating center; diagrams 21, 22, 23 of the work of three TCs in the central heating plant.

Claims (2)

1. Способ центрального впрыска газообразного или жидкого топлива, включающий времяимпульсное дозирование топлива в системе питания двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающей поддержание давления топлива на входе центрального дозатора, содержащего N топливных клапанов, формирование электронным блоком управления с привязкой к синхронизирующим импульсам от датчика оборотов двигателя внутреннего сгорания каждому топливному клапану индивидуальной последовательности открывающих импульсов, отличающийся тем, что каждый из N топливных клапанов сигналом по отдельной цепи от электронного блока управления периодически открывают на отрезок времени дозирования топлива, не превышающий суммы N периодов максимально возможной частоты следования импульсов от датчика оборотов двигателя внутреннего сгорания, впрыскивая за время открытия одного топливного клапана 1/N долю дозируемого для данного режима работы двигателя внутреннего сгорания количества топлива, при этом моменты начала открывания каждого топливного клапана повторяют периодически с частотой в N раз меньшей частоты следования импульсов от датчика оборотов двигателя внутреннего сгорания, а фазы моментов начала открывания отдельных топливных клапанов относительно друг друга равномерно сдвигают циклически во времени на величину текущего интервала между двумя соседними импульсами датчика оборотов двигателя внутреннего сгорания. 1. The method of central injection of gaseous or liquid fuel, including time-pulse dosing of fuel in the power supply system of the internal combustion engine, ensuring the maintenance of fuel pressure at the inlet of the central dispenser containing N fuel valves, forming an electronic control unit with reference to synchronizing pulses from the engine speed sensor of the internal combustion engine each fuel valve individual sequence of opening pulses, characterized in that each of N fuel x valves with a signal on a separate circuit from the electronic control unit periodically open for a period of fuel metering, not exceeding the sum of N periods of the maximum possible pulse repetition rate from the engine speed sensor, injecting 1 / N fraction of the dosage for this mode during the opening of one fuel valve the operation of the internal combustion engine of the amount of fuel, while the moments of the beginning of the opening of each fuel valve are repeated periodically with a frequency of N times less frequent the pulses from the engine speed sensor of the internal combustion engine, and the phases of the moments of the start of opening of the individual fuel valves relative to each other are cyclically uniformly shifted in time by the value of the current interval between two adjacent pulses of the engine speed sensor of the internal combustion engine. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве импульсов датчика оборотов двигателя внутреннего сгорания используют импульсы от системы зажигания двигателя внутреннего сгорания. 2. The method according to claim 1, characterized in that the pulses from the speed sensor of the internal combustion engine use pulses from the ignition system of the internal combustion engine.

Images