V-образный восьмицилиндровый газовый двигатель

Заявляемый V-образный газовый двигатель конвертирован из базового дизельного двигателя с газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воздуха. Газовый двигатель оборудован электронной системой управлением двигателем (ЭСУД) и системой управления подачей газа, выполненной с распределенным впрыском газа во впускной канал каждого цилиндра, осуществляемым синхронно с открытием впускных клапанов, и воспламенением рабочей смеси от электрической искры. В ЭСУД входят следующие элементы: микропроцессорный блок управления (31), привод (32) дроссельной заслонки, катушки зажигания (14), а также датчик (33) угловой скорости и положения коленчатого вала, датчик (34) фазы (углового положения распределительного вала), датчики (35) давления и (36) температуры воздуха во впускном коллекторе, датчик (37) температуры охлаждающей жидкости, датчики (38) давления и (39) температуры газа, датчик (40) углового положения дроссельной заслонки. Была решена задача создать газовый двигатель, имеющий высокие качественные характеристики, которые обеспечиваются за счет гибкого управления двигателем во всех режимах работы. 6 ил.

Полезная модель относится к транспортному машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, использующим в качестве топлива компримированный природный газ (КПГ).

Известен восьмицилиндровый V-образный газовый двигатель с наддувом, содержащий эжекционную систему подачи газа, систему подачи воздуха, газовоздушный смеситель, регулирующий орган, выполненный в виде дроссельной заслонки и микропроцессорную систему управления углом опережения зажигания, при этом в тракте подачи газовоздушной смеси между газовоздушным смесителем и впускным коллектором установлены, по меньшей мере, один турбокомпрессор и охладитель (патент РФ 28895, MПK⁷ F02B 43/00, опубл. 20.04.2003).

Известен также выбранный в качестве ближайшего аналога восьмицилиндровый V-образный газовый двигатель с турбонаддувом и охлаждением надувочного воздуха, содержащий систему центральной подачи газа во впускной коллектор, устройство поддержания устойчивых оборотов холостого хода с байпасным каналом подачи газо-воздушной смеси во впускной коллектор, минуя дроссельную заслонку, клапаны перепуска части отработавших газов, минуя турбины турбокомпрессоров, многоканальную систему искрового зажигания без высоковольтного распределителя, микропроцессорную систему управления углом опережения зажигания, подачей газа и газовоздушной смеси, а также перепуском отработавших газов (патент РФ 19877, MПK⁷ F02B 43/00, опубл. 10.10.2001).

Недостатком известных устройств является то, что в них не обеспечивается гибкое управление двигателем во всех режимах работы.

Была поставлена задача создать газовый двигатель, имеющий высокие качественные характеристики, которые обеспечиваются за счет гибкого управления двигателем во всех режимах работы, достигаемого выполнением электронной системы управления двигателем заявленной конструкции, а также наличием в системе управления подачей газа распределенного впрыска газа по цилиндрам.

Для решения поставленной задачи в V-образном восьмицилиндровом газовом двигателе, выполненном с газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воздуха, с электронной системой управления двигателем и системой управления подачей газа, последняя выполнена с распределенным впрыском газа во впускной канал каждого цилиндра, осуществляемым синхронно с открытием впускных клапанов, и воспламенением рабочей смеси от электрической искры, при этом в электронную систему управления входят следующие элементы: микропроцессорный блок управления, привод дроссельной заслонки, электромагнитный дозатора газа, катушки зажигания, датчики параметров впускного воздуха и газа, отработавшего газа, охлаждающей жидкости, положения коленчатого вала и распределительного вала.

Новым в заявляемом техническом решении является то, что система управления подачей газа выполнена с распределенным впрыском газа во впускной канал каждого цилиндра, осуществляемым синхронно с открытием впускных клапанов, и воспламенением рабочей смеси от электрической искры, при этом в электронную систему управления входят следующие элементы: микропроцессорный блок управления, привод дроссельной заслонки, электромагнитный дозатора газа, катушки зажигания, датчики параметров впускного воздуха и газа, отработавшего газа, охлаждающей жидкости, положения коленчатого вала и распределительного вала, что в совокупности позволит добиться гибкого управления двигателем во всех режимах работы, и, как следствие, повысить качество его работы.

Газовый двигатель может быть конвертирован из дизельного двигателя, что обеспечит экономичный переход на работу на природном газе, а в совокупности другими признаками позволит добиться высоких качественных характеристик работы двигателя.

Заявителю не известны V-образные восьмицилиндровые газовые двигатели с указанной совокупностью существенных признаков, и заявленная совокупность существенных признаков не вытекает явным образом из современного уровня техники, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - V-образный восьмицилиндровый газовый двигатель, вид слева;

фиг.2 - то же, вид спереди;

фиг.3 - то же, вид справа;

фиг.4 - то же, вид сзади;

фиг.5 - то же, вид сверху;

фиг.6 - принципиальная схема системы управления газового двигателя.

Заявляемый V-образный газовый двигатель конвертирован из базового дизельного двигателя с газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воздуха. Газовый двигатель оборудован электронной системой управлением двигателем (ЭСУД), которая выполняет следующие функции:

- управление запуском и остановом двигателя;

- управление подачей газа на всех режимах работы двигателя;

- управление временем накопления энергии и моментом зажигания;

- поддержание стабильной частоты вращения двигателя на режимах холостого хода;

- ограничение максимальной частоты вращения двигателя;

- поддержание состава рабочей смеси, удовлетворяющего требованиям к экономичности и токсичности отработавших газов;

- защита двигателя при аварийных режимах работы;

- управление двигателем в аварийных режимах;

- централизованная диагностика элементов системы;

- сигнализация об аварийных и критических режимах работы двигателя и системы.

Ниже представлено описание устройства двигателя и работы его систем.

Двигатель содержит блок 1 цилиндров, на каждый полублок которого установлены раздельные головки 2 восьми цилиндров. Каждая головка 2 закрыта клапанной крышкой 3. К переднему торцу блока 1 цилиндров крепится привод 4 отбора мощности от коленчатого вала и корпус 5 водяных каналов. На корпусе 5 водяных каналов установлены водяной насос 6 и патрубок 7 отвода охлаждающей жидкости в радиатор. С правой стороны двигателя размещен генератор 8. Привод водяного насоса 6, вентилятора и генератора 8 осуществляется от шкива 9 поликлиновым ремнем 10. К заднему торцу блока цилиндров 1 крепится картер маховика 11. В развале блока 1 цилиндров размещены насос 12 гидроусилителя руля, воздушный компрессор 13, восемь катушек зажигания 14.

На каждом полублоке двигателя размещены газовые рампы 15 и 16 с установленными в них электромагнитными дозаторами 17 газа. Выход газа во впускной канал каждого цилиндра находится в непосредственной близости от плоскости разъема коллектора и головки цилиндра, что позволяет снизить инерционность системы.

К передним торцам впускных коллекторов 18 и 19 закреплен соединительный патрубок 20 подвода воздуха. На переднем фланце соединительного патрубка 20 установлен узел дроссельной заслонки 21, являющийся одновременно соединительным патрубком для подвода воздуха из охладителя. Патрубок 22, объединяющий впускные коллекторы 18 и 19 в районе картера маховика 11, обеспечивает равномерную подачу наддувочного воздуха в цилиндры левого и правого полублоков.

Выпускные коллекторы 23 и 24, расположенные снаружи двигателя, закреплены к головкам цилиндров. На выпускные патрубки 25 и 26 установлены турбокомпрессоры 43. В корпусы турбин 27 и 28 встроены клапаны перепуска отработавших газов в обход колеса турбины для регулирования наддува. Дроссельная заслонка 21, управляемая по сигналу блока управления, позволяет регулировать количество поступающего в двигатель воздуха, а также расход воздуха за счет регулирования наддува с помощью клапана перепуска отработавших газов перед турбиной. Тройник 29 отвода наддувочного воздуха от турбокомпрессоров соединяется с трубой 30 отвода наддувочного воздуха в охладитель. Труба 30 выполнена в виде отливки прямоугольного сечения, закреплена поверх правого впускного коллектора. Охладитель типа "воздух-воздух" установлен на радиаторе системы охлаждения двигателя, соединен с подводящим патрубком и узлом дроссельной заслонки 21 термостойкими гофрированными рукавами. Вентилятор, оснащенный вязкостной муфтой, прокачивает воздух окружающей среды через охлаждающие трассы системы охлаждения наддувочного воздуха и радиатора, охлаждая соответственно наддувочный воздух и охлаждающую жидкость двигателя. Системы газотурбинного наддува и охлаждения наддувочного воздуха позволяют увеличить плотность заряда воздуха, поступающего в цилиндры, снизить температуру рабочей смеси в конце сжатия, исключить детонацию, работать на обедненной смеси, повысить агрегатную мощность двигателя, уменьшить удельный расход топлива, снизить уровень токсичности отработавших газов.

В систему управления газовым двигателем входит микропроцессорный блок управления 31, привод 32 дроссельной заслонки, катушки зажигания 14, а также датчик 33 угловой скорости и положения коленчатого вала, датчик 34 фазы (углового положения распределительного вала), датчики 35 и 36 давления и температуры воздуха во впускном коллекторе соответственно (объединены в одном корпусе, не показано), датчик 37 температуры охлаждающей жидкости, датчики 38 и 39 давления и температуры газа соответственно (объединены в одном корпусе, не показано), датчик 40 углового положения дроссельной заслонки.

Микропроцессорный блок управления 31 предназначен для выработки сигналов управления катушками зажигания 14, приводом 32 дроссельной заслонки 21, электромагнитными дозаторами 17 газа и электромагнитным клапаном 41 высокого давления на основе информации, получаемой от датчиков ЭСУД, а также определяет неисправности в системе управления и предупреждает о них водителя включением диагностической лампы «Check Engine» (проверь двигатель) в комбинации приборов.

При включении зажигания лампа должна загореться и погаснуть после пуска двигателя. Если лампа не загорится или горит постоянно, в системе управления двигателем возникла неисправность, в этом случае водителю необходимо обратиться на станцию технического обслуживания для определения и устранения неисправности в работе двигателя.

В качестве прибора системы диагностики работы ЭСУД используется сканер-тестер, который подключается к диагностическому разъему системы управления.

Датчики 33-40 системы управления служат для получения информации, необходимой для выработки сигналов управления двигателем.

Привод 32 дроссельной заслонки предназначен для управления положением дроссельной заслонки 21 по сигналам от электронного блока управления двигателем.

Электромагнитный дозатор 17 газа осуществляет фазированную подачу необходимого количества газа по сигналам блока управления.

Электромагнитный клапан 41 осуществляет отключение подачи газа при выключении системы управления и при аварийных ситуациях.

Элементы системы управления соединены жгутом проводов с электронным блоком, шиной питания и шиной заземления. Применяемые электрические соединители обеспечивают надежность соединений и их защиту от влияния внешних условий. Расположение жгута проводов на установках должно исключать опасность его перелома при вибрации или повреждения острыми или нагретыми частями.

Датчик 33 угловой скорости и положения коленчатого вала индуктивного типа установлен на передней крышке 42 двигателя. Для работы датчика 33 на носке коленчатого вала установлен специальный зубчатый венец. Датчик представляет собой катушку с магнитным сердечником. Для нормальной работы системы управления необходимо, чтобы зазор между датчиком и зубьями диска составлял 0,5-1,2 мм. При неисправном датчике положения коленчатого вала, повреждениях соединительного жгута эксплуатация двигателя невозможна.

Датчик 34 положения распределительного вала (датчик фазы) установлен на картере маховика 11, который закреплен на заднем торце блока цилиндров 1. Для работы датчика 34 на валу привода агрегатов установлено специальное колесо датчика фазы. Принцип действия датчика основан на эффекте Холла. Он выдает электронному блоку управления информацию об угловом положении распределительного вала.

Датчик 38 давления газа в системе питания установлен на корпусе фильтра очистки газа, датчик 35 абсолютного давления воздуха во впускном коллекторе - за дроссельным пространством впускного трубопровода. По измеренным значениям давлений блок управления определяет количество воздуха, поступающего в цилиндры двигателя и количество газа, необходимое для обеспечения режимов работы двигателя.

Датчики температуры полупроводникового типа предназначены для определения температурного состояния систем двигателя (система охлаждения, система питания воздухом, система питания газом). В соответствии с измеренным значением температуры электронный блок корректирует значения угла опережения зажигания, положения дросселя и топливоподачи.

Неисправность датчиков приводит к нарушениям работы системы управления и снижению мощности двигателя.

Система управления подачей газа выполнена с распределенным впрыском газа во впускной канал каждого цилиндра, который осуществляют синхронно с открытием впускных клапанов.

Цикловая подача топлива определяется длительностью открытого состояния электромагнитных дозаторов, задается блоком управления по сигналам датчиков температуры, давления наддувочного воздуха, угловой скорости коленчатого вала и углового положения дроссельной заслонки. Применение для воспламенения рабочей смеси искровой системы зажигания с микропроцессорным управлением, содержащей индивидуальные катушки зажигания на каждый цилиндр, позволяет оптимизировать протекание рабочего процесса по удельному расходу топлива и токсичности отработавших газов.

На базе серийного дизельного двигателя с наддувом и охлаждением наддувочного воздуха был создан газовый двигатель, работающий на природном газе, имеющий высокие качественные характеристики, при этом имеющий габариты, позволяющие установить двигатель в штатный моторный отсек серийного автомобиля. Двигатель может серийно изготавливаться на существующем производственном оборудовании.

Конвертация дизельного двигателя для работы на природном газе осуществляется доработкой серийных деталей и узлов и установкой дополнительных блоков и систем.

1. V-образный восьмицилиндровый газовый двигатель, выполненный с газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воздуха, с электронной системой управления двигателем и системой управления подачей газа, отличающийся тем, что система управления подачей газа выполнена с распределенным впрыском газа во впускной канал каждого цилиндра, осуществляемым синхронно с открытием впускных клапанов, и воспламенением рабочей смеси от электрической искры, при этом в электронную систему управления входят следующие элементы: микропроцессорный блок управления, привод дроссельной заслонки, электромагнитный дозатор газа, катушки зажигания, датчики параметров впускного воздуха и газа, отработавшего газа, охлаждающей жидкости, положения коленчатого вала и распределительного вала.

2. V-образный восьмицилиндровый газовый двигатель по п.1, отличающийся тем, что двигатель конвертирован из базового дизельного двигателя.