СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1994 года по МПК F02D41/00 

Изобретение относится к автоматическому регулированию дизелей транспортных средств, в частности к регулированию дымности дизельных двигателей автомобилей с целью повышения их топливной и экологической эффективности.

Известна система регулирования, содержащая исполнительный механизм, связанный через блок управления с органом управления подачей топлива в цилиндры двигателя [1]. Эта система позволяет регулировать дизель по заранее заданной программе и улучшать его воздухоснабжение на переходных режимах, т.е. обеспечивать установление заранее заданных для данного типа дизелей параметров или выбранных зависимостей между параметрами двигателя.

Однако известная система не обеспечивает установления и поддержания таких значений регулируемых параметров, которые на каждом эксплуатационном режиме дизеля при фактических условиях его работы соответствуют наименьшему расходу топлива.

Известна система регулирования, содержащая исполнительный механизм, связанный через блок управления и микропроцессорное устройство с органом управления подачей топлива в цилиндры двигателя [2].

Недостатком этой системы является то, что ее работа основана на изменении внешних параметров работы дизеля - нагрузки и частоты вращения и не учитывает динамику внутренних параметров работы двигателя, в частности дымности отработавших газов.

Из известных систем аналогичного класса наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является система автоматического регулирования, содержащая исполнительный механизм, связанный через блок управления фотоэлектрического дымомера и микропроцессорное устройство с органом управления подачей топлива в цилиндры двигателя, излучатель и детектор оптического излучения дымомера с оптическими элементами, закрепленными в насадках и установленными с противоположных сторон выхлопной трубы автомобиля по одной оптической оси. Эта система позволяет не только снизить дымность отработавших газов, но и уменьшить среднеэксплуатационный расход топлива примерно на 2-3%, при этом уменьшается загрязнение окружающей среды [3].

Недостатком известного технического решения является отсутствие фотоэлектрических дымомеров, способных работать постоянно в мобильных условиях в процессе эксплуатации дизельных автомобилей, по диагностированию и контролю дизельной топливной аппаратуры, хотя повышение дымности отработавших газов является первым признаком неисправности двигателя и перерасхода топлива, сигналом о необходимости проведения контрольно- регулировочных работ. Правда, в эксплуатации кое-какие приборы есть, но в очень ограниченном количестве. Это отечественные портативные ИДА-106 и стационарные СИДА-107, а также зарубежные типа "Бош", "Хартридж" и др., но они очень дороги, имеют ряд недостатков конструкции, которые ограничивают их применение в условиях рядовой эксплуатации. Обычно эти приборы применяются в автохозяйствах (в стационарных условиях) или на постах ГАИ.

Слабым звеном этого же технического решения является исполнительный механизм из-за его инерционности вследствие наличия в его конструкции подвижных механических частей, что вызывает несоответствие расходных характеристик топлива степени дымности отработавших газов дизельного двигателя.

Цель изобретения - снижение дымности отработавших газов путем обеспечения непрерывности согласования подачи топлива в цилиндры двигателя с оптической плотностью его отработавших газов, а также ускорение диагностики состояния дизеля.

Поставленная цель достигается тем, что в системе автоматического регулирования дымности отработавших газов дизельного двигателя, установленного на транспортном средстве, например на автомобиле, содержащей исполнительный механизм, связанный через блок управления фотоэлектрического дымомера и микропроцессорное устройство с органом управления подачей топлива в цилиндры двигателя, излучатель и детектор оптического излучения дымомера с оптическими элементами, закрепленными в насадках и установленными с противоположных сторон выхлопной трубы автомобиля по одной оптической оси, согласно изобретению насадки закреплены на выхлопной трубе автомобиля таким образом, что их оптическая ось проходит через центр радиальных отверстий в диффузорной вставке, установленной внутри выхлопной трубы, причем на каждом торце насадок, обращенном к выхлопной трубе, закреплены защитные эжекционные элементы, оси которых нормальны оптической оси насадок и сориентированы по ходу движения автомобиля, а блок управления фотоэлектрического дымомера установлен на приборной панели внутри кабины автомобиля. При этом проходное сечение каждого защитного эжекционного элемента выполнено регулируемым, а каждая насадка снабжена нагревателем. Кроме того, исполнительный механизм выполнен в виде магнитожидкостного клапана и в кабине автомобиля дополнительно установлен индикатор дымности отработавших газов.

Указанные выше отличительные признаки являются существенными, так как лишь при их наличии возникают новые свойства у предлагаемой системы - снижается дымность отработавших газов путем обеспечения непрерывности согласования подачи топлива в цилиндры двигателя с оптической плотностью его отработавших газов и ускоряется диагностика состояния дизеля.

Существенность и новизна указанных отличительных признаков следует также из того, что в ранее известных устройствах аналогичного класса для автоматического регулирования дымности отработавших газов дизельного двигателя, установленного на транспортном средстве, они с указанной целью не использовались.

На фиг. 1 представлена структурная схема системы автоматического регулирования дымности отработавших газов дизельного двигателя транспортного средства; на фиг. 2-4 - общий вид варианта крепления насадок и защитных эжекционных элементов фотоэлектрического дымомера этой системы на автомобиле, вид сбоку, сверху и сзади; на фиг. 5 - конструкция насадки фотоэлектрического дымомера в сборе с защитным эжекционным элементом, продольный разрез; на фиг. 6 - конструкция исполнительного механизма, продольный разрез.

Для наглядности направление движения отработавшего газа и защитного потока атмосферного воздуха изображено тонкими стрелками, а направление движения автомобиля - широкой стрелкой.

Система содержит блок 1 управления фотоэлектрического дымомера, соединенный с усилителем 2 и с насадками 3 и 4 дымомера, установленными с противоположных сторон выхлопной трубы 5 дизеля 6 по одной оптической оси. На каждом торце насадок 3 и 4, обращенном к выхлопной трубе 5, закреплены идентичные защитные эжекционные элементы 7 и 8. Усилитель 2 подсоединен к микропроцессорному устройству 9, связанному с органом 10 управления подачей топлива в цилиндры двигателя и с исполнительным механизмом 11, установленным на трубопроводе 12 подачи топлива, соединяющем топливную систему автомобиля с дизелем 6.

Защитные эжекционные элементы 7 и 8 закреплены на кронштейне 13 сзади кабины 14 автомобиля над ее крышей 15 таким образом, что оптическая ось насадок 3 и 4 проходит по центру радиальных отверстий 16 в выхлопной трубе 5, причем оси элементов 7 и 8 нормальны оптической оси насадок 3 и 4 и сориентированы по ходу движения автомобиля. Диффузорная вставка 17, имеющая в узкой части радиальные отверстия 18, установлена внутри выхлопной трубы 5 при помощи оголовка 19 так, что отверстия 18 точно совпадают с отверстиями 16 трубы 5.

Внутри насадки 3 установлен излучатель 20 оптического излучения дымомера с оптическими элементами 21, а внутри насадки 4 - детектор 22 оптического излучения дымомера с оптическими элементами 23.

Корпуса идентичных защитных эжекционных элементов 7 и 8 образованы двумя прямоугольными параллельными стенками 24 и 25, имеющими центральные отверстия, причем стенка 24 перфорирована (отверстия 26) и имеет резьбовое соединение для сочленения с насадкой 3 или 4, и крышками 27 и 28, также параллельными друг другу, причем крышки 28 использованы для крепления элементов 7 и 8 к кронштейну 13. Внутри корпусов элементов 7 и 8 установлены упругие пластины 29 и 30, образующие диффузор, при этом пластина 29 прикреплена жестко к торцам перфорированной стенки 24, а пластина 30 - подвижно к торцам стенки 25. Кроме того, в пластинах 29 и 30 выполнены центральные отверстия, центры которых совпадают с оптической осью насадок 3 и 4. Между пластиной 30 и стенкой 25 установлено эластичное полое тороидальное кольцо 31, к которому по шлангу 32 поступает сжатый газ, величину давления которого регулируют вентилем 33.

Исполнительный механизм 11 выполнен в виде магнитожидкостного клапана, состоящего из полого цилиндрического корпуса 34, к торцам которого прикреплен трубопровод 12 подачи топлива. Подвижный элемент клапана состоит из эластичной оболочки 35, внутри которой по центру установлен на гибких растяжках 36 электромагнит 37, питание к которому поступает по проводникам 38. Оболочки 35 заполнены магнитной жидкостью 39. С противоположных наружных сторон оболочки 35 жестко прикреплены крепежный и направляющий элементы: изолирующая втулка 40 и цилиндрический стержень 41. Посредством втулки 40 оболочка 35 неподвижно прикреплена к корпусу 34, при этом втулка 40 также использована для прохождения проводников 38. Под направляющий стержень 41 внутри корпуса 34 просверлено отверстие 42. Электромагнит 37 питается от аккумуляторной батареи системы электрооборудования дизеля 6.

От этой же аккумуляторной батареи питаются нагреватели насадок 3 и 4, установленные снаружи их корпусов и действующие в зимний период для предотвращения запотевания оптических элементов 21 и 23, когда температура атмосферного воздуха становится отрицательной (на чертежах нагреватели не показаны).

Для удобства регулирования рабочими параметрами дизеля 6 блок 1 управления фотоэлектрического дымомера, усилитель 2, микропроцессорное устройство 9 и орган 10 управления подачей топлива в цилиндры двигателя установлены на приборной панели (фиг. 1, участок, обведенный штриховым контуром) внутри кабины 14 автомобиля. На этой же панели дополнительно установлен индикатор 43 дымности отработавших газов для ускорения диагностики состояния дизеля 6.

Система работает следующим образом.

При пуске дизеля 6 (на холостом ходу) отработавшие газы по выхлопной трубе 5 выбрасываются в атмосферу. В потоке газов, проходящих через диффузорную вставку 17, создается разрежение, благодаря которому через отверстия 18 и 16 чистый атмосферный воздух поступает в трубу 5. Созданный поток воздуха предотвращает попадание отработавших газов в насадки 3 и 4, в которых расположены излучатель 20 и детектор 22 оптического излучения дымомера, а также загрязнение оптических элементов 21 и 23.

При движении автомобиля, кроме этого защитного механизма, начинает работать дополнительный защитный механизм. Набегающий поток атмосферного воздуха поступает в защитные эжекционные элементы 7 и 8, сориентированные по ходу движения автомобиля, создает разрежение в наиболее узкой части плоского диффузора, образованного упругими пластинами 29 и 30, и засасывает защитный поток атмосферного воздуха (через отверстия 26 перфорированной стенки 24 и центральные отверстия стенки 25 и пластин 29 и 30) в зону разрежения диффузора. Для повышения эффективности защиты оптических поверхностей элементов 21 и 23 проходное сечение каждого защитного эжекционного элемента 7 и 8 выполнено регулируемым в зависимости от скорости набегающего потока. Когда скорость автомобиля увеличивается, происходит уменьшение проходного сечения диффузора элемента 7 или 8, при уменьшении же скорости автомобиля наоборот. Увеличивая или уменьшая давление сжатого газа в тороидальных кольцах 31, меняют положение пластины 30 относительно неподвижной пластины 29 и тем самым изменяют площадь проходного сечения диффузоров, обеспечивая постоянство их коэффициента эжекции при различных скоростях автомобиля. При эксплуатации автомобиля в зимний период посредством нагревателей, установленных снаружи корпусов насадок 3 и 4, меняя мощность подогрева в зависимости от температуры набегающего потока воздуха, предотвращают запотевание оптических элементов 21 и 23, что способствует точности и стабильности измерений.

Поток света от излучателя 20 оптического излучения дымомера проходит через отработавшие газы, находящиеся в выхлопной трубе 5, и падает на детектор 22. Детектор 22 воспринимает непоглощенную часть света. В зависимости от плотности (дымности) отработавших газов изменяется поглощение потока света, а детектор 22 реагирует на эти изменения и подает сигнал на блок 1 управления фотоэлектрического дымомера, пропорциональный плотности отработавшего газа, и через усилитель 2 передает его на вход микропроцессорного устройства 9. Одновременно с этим сигналом на вход микропроцессорного устройства 9 поступает сигнал, пропорциональный расходу топлива, от органа 10 управления подачей топлива в цилиндры дизеля 6. Микропроцессорное устройство 9 по заданному алгоритму осуществляет обработку поступивших сигналов, а затем выдает результирующий сигнал на исполнительный механизм 11, управляющий подачей топлива в цилиндры дизеля 6.

Результирующий сигнал в виде электрического тока подается по проводникам 38 на обмотку электромагнита 37 магнитожидкостного клапана, выполняющего функцию исполнительного механизма 11. Магнитная жидкость 39, заполняющая эластичную оболочку 35, с помощью внешнего магнитного поля электромагнита 37 не только легко позиционируется, но и легко перемещается или изменяет форму [4]. Это и дает возможность использовать ее в исполнительных механизмах. Основное преимущество таких механизмов - отсутствие подвижных механических деталей и, как следствие, повышенная надежность. При этом происходит изменение площади поперечного сечения оболочки 35 и изменение проходного сечения между оболочкой 35 и стенками корпуса 34 (жесткость клапана обеспечивается подвижной плунжерной парой: цилиндрическим стержнем 41, перемещаемым в отверстии 42 корпуса 34) для свободного и управляемого прохождения топлива по трубопроводу 12, соединяющему топливную систему автомобиля с дизелем 6. Простота и надежность преобразования электрического сигнала в механическое перемещение оболочки 35 при отсутствии движущихся механических частей делают механизм 11 конкурентноспособным и дает возможность использовать его в качестве безынерционного клапана в гидравлической системе автомобиля с целью снижения дымности отработавших газов путем обеспечения непрерывности согласования подачи топлива в цилиндры дизеля 6 с оптической плотностью его отработавших газов.

В случае износов или нарушения регулировок дизеля 6, следствием которых является нарушение согласования подачи топлива в цилиндры двигателя с оптической плотностью его отработавших газов, выходящего за рамки пределов регулировки микропроцессорного устройства, что может привести к превышению нормативных параметров дымности транспортного средства, индикатор 43 дымности отработавших газов выдает звуковой или световой сигнал о необходимости проведения ремонтно-регулировочных работ на этом транспортном средстве. Это позволяет ускорить диагностику состояния дизеля 6 непрерывно в процессе эксплуатации автомобиля.

Проведенные экспериментальные исследования на модельной установке подтвердили работоспособность предложенной системы автоматического регулирования дымности отработавших газов дизельного двигателя, установленного на транспортном средстве, как при его пуске, так и при его работе на переходных и установившихся режимах. При этом система обеспечивает установление и поддержание дымности отработавших газов, не превышающей предельно допустимых значений, которые на каждом эксплуатационном режиме дизеля при фактических условиях его работы соответствуют наименьшему расходу топлива. Эта система особенно эффективна когда она выполняет не только регулирующие функции и устанавливает благоприятный режим работы двигателя и расхода топлива при "чистом" выхлопе, но также когда ее микропроцессорное устройство контролирует и другие функции, устанавливает величину проходного сечения каждой эжекционной насадки от скорости автомобиля и регулирует мощность нагревателя, установленного на насадках, от температуры воздуха, что повышает точность и стабильность измерений дымности отработавших газов в дизельном двигателе фотоэлектрическим дымомером и превращает дизельный автомобиль в одно из наиболее экологически чистых транспортных средств.

Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет не только снизить дымность отработавших газов путем обеспечения непрерывности согласования подачи топлива в цилиндры двигателя с оптической плотностью его отработавших газов, но и снизить среднеэксплуатационный расход топлива примерно на 3-4%. Применение изобретения направлено на решение актуальной проблемы уменьшения загрязнения окружающей среды.

Сущность изобретения: с целью снижения дымности отработавших газов путем обеспечения непрерывности согласования подачи топлива в цилиндры двигателя с оптической плотностью отработавших газов, а также ускорения диагностики состояния дизеля в системе использованы защитные эжекционные элементы 7 и 8, оси которых нормальны оптической оси насадок 3 и 4 и сориентированы по ходу движения автомобиля, при этом насадки закреплены на выхлопной трубе 5 автомобиля таким образом, что их оптическая ось проходит через центр радиальных отверстий 18 в диффузорной вставке 17, установленной внутри выхлопной трубы 5. В насадках 3 и 4 закреплены излучатель и детектор оптического излучения фотоэлектрического дымомера с оптическими элементами. Блок управления дымомера и индикатор дымности отработавших газов установлены на приборной панели внутри кабины автомобиля. Каждая насадка 3 и 4 может быть снабжена нагревателем, а исполнительный механизм выполнен в виде магнитожидкостного клапана. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, содержащая фотоэлектрический дымомер, связанный через блок управления и микропроцессорное устройство с исполнительным механизмом регулирования подачи топлива в цилиндры двигателя, при этом фотоэлектрический дымомер состоит из излучателя и детектора, оптические элементы которых размещены в насадках, закрепленных на выхлопной трубе транспортного средства с внешней ее стороны диаметрально противоположно друг другу на оси, являющейся оптической осью фотоэлектрического дымомера, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности ее работы, она снабжена диффузорной вставкой, установленной в выхлопной трубе, и защитными эжекционными элементами, закрепленными на торцах насадок со стороны выхлопной трубы так, что их оси нормальны оптической оси и ориентированы по ходу движения транспортного средства, причем в стенках выхлопной трубы и диффузорной вставки выполнено по два отверстия, центры которых лежат на оптической оси, а блок управления размещен на приборной панели внутри кабины транспортного средства. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что защитные эжекционные элементы выполнены с регулируемыми проходными сечениями. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что насадки снабжены нагревателями. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что исполнительный механизм выполнен в виде магнитожидкостного клапана. 5. Система по п.1, отличающаяся тем, что, с целью ускорения диагностики состояния дизельного двигателя, в кабине транспортного средства дополнительно установлен индикатор дымности отработавших газов.