СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02D41/32 

Изобретение относится к системам подачи топлива с электронным управлением в двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для дозирования топлива в карбюраторных ДВС.

Известна система управления подачей топлива в ДВС, содержащая тахометр, источник сигналов, соответствующих рабочим тактам двигателя, и импульсный генератор, питающий топливный инжектор. Импульсы генератора синхронизированы с тактами двигателя, а их длительность переменна во времени и определяется углом поворота коленчатого вала, величина которого выбирается при настройке системы в зависимости от параметров двигателя и скоростного диапазона.

Недостатком системы управления является повышенный расход топлива, обусловленный применением принципа параметрического управления по фиксированному параметру - углу поворота коленчатого вала.

Наиболее близкой является система управления впрыском топлива в ДВС, принятая за прототип. Система содержит датчик разряжения, сигнал которого используется как первичный параметр управления, а также датчики скорости и температуры двигателя и положения дроссельной заслонки, сигналы которых используются в качестве вторичных параметров управления. Система содержит также источник тактовых сигналов двигателя и генератор широтно-модулированных импульсов, длительность которых определяется электронным вычислительным блоком в зависимости от первичного и вторичного параметров управления.

Основным недостатком системы управления является повышенный (по сравнению с оптимальным) расход топлива, что объясняется свойственными системам параметрического управления недостатками - наличием ошибок, связанных с инструментальной погрешностью измерительного тракта, и несовершенством закона управления. Дополнительным недостатком системы управления является ее сложность связанная с необходимостью измерения большого количества параметров объекта управления и их функциональным преобразованием.

Целью изобретения является снижение (минимизация) расхода топлива при одновременном упрощении системы.

Указанная цель достигается тем, что система управления подачей топлива в ДВС построена по принципу следящей системы с обратной связью по скорости двигателя. Конструктивно это достигается за счет того, что в системе управления, содержащей генератор широтно-модулированных импульсов, связанный с инжектором, источник тактовых сигналов двигателя, соединенный с тактовым входом генератора, электронный вычислительный блок, выход которого соединен со входом модуляции генератора, датчик положения механизма управления скоростью двигателя и тахометр, электронный вычислительный блок выполнен в виде схемы вычитания, прямой вход которой соединен с датчиком положения механизма управления скоростью двигателя, а инверсный - с тахометром.

Возможность достижения цели изобретения - снижения (минимизации) расхода топлива и упрощения системы определяются следующими обстоятельствами.

Количество топлива, поступающее за каждый рабочий такт двигателя (в дальнейшем импульс топлива), зависит от длительности широтно-модулированного импульса и определяется, в частном случае, как линейная функция в зависимости от рассогласования системы, т. е. разности значения заданной скорости, снимаемого с датчика положения механизма управления скоростью двигателя, и значения фактической скорости двигателя, снимаемого с тахометра. Рассогласование системы, определяющее расход топлива, стремится к минимуму и в стационарном режиме устанавливается на уровне, достаточном для поддержания заданного режима нагрузки двигателя. Возмущение системы, вызванное внешними факторами, а также вмешательством оператора, приводит к изменению рассогласования и соответствующему изменению подачи топлива на время отработки возмущения, по истечении которого система выходит на новый стационарный режим с соответствующими ему минимальным рассогласованием и расходом топлива. Таким образом предлагаемая система управления позволяет минимизировать расход топлива, т.е. достичь цели изобретения.

Такое построение системы не требует дополнительных датчиков для измерения параметров объекта управления и средств для обработки полученной информации, что упрощает систему управления.

Совокупность существенных признаков, описывающая предлагаемую систему управления подачей топлива в ДВС, построенную по принципу следящей системы с обратной связью по скорости двигателя, не известна из доступных источников информации, что свидетельствует о соответствии изобретения критерию существенности отличий.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемой системы; на фиг.2 - временная диаграмма системы для трех режимов работы двигателя: стационарного, ускорения и торможения.

Система управления (фиг.1) содержит датчик положения 1 механизма управления скоростью двигателя (традиционная педаль "газа" и система тяг на фиг.1 не показаны), выход которого соединен с прямым входом 2 схемы вычитания 3, выход которой через усилитель 4 соединен с модулирующим входом 5 генератора 6 широтно-модулированных импульсов, выход которого через усилитель мощности 7 соединена с входом электромеханического инжектора 8. Инжектор 8 размещен во входном патрубке 9, соединенном с цилиндрами двигателя 10. С двигателем 10 связан тахометр 11, выход которого соединен с инверсным входом 12 схемы вычитания 3, а также датчик 13 рабочих тактов двигателя 10, выход которого через формирователь 14 соединен с тактовым входом 15 генератора 6 широтно-модулированных импульсов.

Система управления работает следующим образом.

Напряжение, соответствующее заданной скорости, снимаемое с датчика положения 1, поступает на прямой вход 2 схемы вычитания 3, на инверсный вход 12 которой поступает напряжение тахометра 11, соответствующее фактической скорости двигателя 10. Выходное напряжение схемы вычитания 3, равное разности указанных напряжений (рассогласование системы), через усилитель 4 поступает на модулирующий вход 5 генератора широтно-модулированных импульсов, на тактовый вход 15 которого через формирователь 14 поступают импульсы от датчика 13 рабочих тактов двигателя 10. Генератор 6 вырабатывает импульсы с частотой, равной частоте рабочих тактов двигателя 10 и длительностью, пропорциональной рассогласованию системы. Широтно-модулированные импульсы генератора 6 через усилитель мощности 7 поступают на инжектор 8, который впрыскивает во входной патрубок порцию топлива (импульс топлива), поступающего вместе с воздухом в цилиндры двигателя.

На фиг. 2 представлена временная диаграмма параметров системы для трех режимов работы, где обозначено:
X - значение заданной скорости двигателя, снимаемое с датчика положения I механизма управления скоростью двигателя;
Y - значение фактической скорости двигателя, снимаемое с тахометра 11;
Z - величина рассогласования системы, соответствующая импульсу топлива;
A, B и Е - временные интервалы, соответствующие стационарным режимам работы двигателя;
В - временной интервал работы двигателя с ускорением;
Г и Д - временной интервал работы двигателя с замедлением.

Стационарные режимы работы двигателя (интервалы А,В и Е, фиг.2) соответствуют стационарным состояниям системы управления. При этом рассогласование системы и, следовательно, импульс топлива соответствуют минимальному значению, достаточному для поддержания заданного режима нагрузки двигателя.

При переходе от стационарного режима работы двигателя к режиму ускорения (интервал Б) оператор, воздействуя через механизм управления скоростью двигателя на датчик положения 1, увеличивает рассогласование системы, что приводит к увеличению импульса топлива, обогащению рабочей смеси и ускорению двигателя. Ускорение будет продолжаться до тех пор, пока система не достигнет нового стационарного режима (интервал В), при котором рассогласование системы и, следовательно, импульс топлива достигнут минимального значения, достаточного для поддержания нового, более высокого режима нагрузки двигателя.

В режиме замедления двигателя (интервал Г и Д) система управления имеет два состояния: отрицательного рассогласования (интервал Г), при котором импульс топлива равен нулю и двигатель работает в режиме принудительного холостого хода, и второе состояние (интервал Д), при котором рассогласование и, следовательно, импульс топлива возрастают от нуля до значения, достаточного для поддержания режима нагрузки двигателя при заданной скорости.

Возмущение системы управления, вызванное изменением режима нагрузки двигателя при постоянной величине заданной скорости, отрабатывается аналогичным образом.

Пример реализации системы управления.

Был изготовлен и испытан макет системы управления подачей топлива, которая совместно с инжектором выполняет функции карбюратора ДВС.

В качестве датчика положения 1 использован потенциометр, движком которого, механически соединенным с приводом дроссельной заслонки, управляет оператор, выбирая тем самым скоростной режим работы двигателя. Схема вычитания 3 выполнена на половине микросхемы 140УД20, представляющей собой операционный усилитель, вторая половина микросхемы служит усилителем 4. Генератор 6 широтно-модулированных импульсов собран на микросхеме 1006ВИ1 и представляет собой преобразователь напряжение-длительность импульса. В качестве инжектора 8 использован электромеханический клапан в магистрали подачи топлива, изготовленный на основе токового контактора, подвижная часть которого соединена с запорной иглой.

Усилитель мощности 7 выполнен на транзисторе КТ803. В качестве тахометра 11 использован микродвигатель ДП1-26ЦР в генераторном режиме, механически соединенный с коленвалом двигателя 10. Датчиком рабочих тактов 13 двигателя 10 является прерыватель цепи зажигания двигателя, формирователь 14 представляет собой интегро-дифференцирующую цепь и усилитель на транзисторе.

Испытания макета системы управления подачей топлива в ДВС показали ее работоспособность и дали положительные результаты по динамическим характеристикам двигателя и сокращению расхода топлива до 20% по сравнению с использованием известного карбюратора.

Таким образом, относительно простая система управления подачей топлива в ДВС позволяет сократить (минимизировать) расход топлива при сохранении и динамических и нагрузочных характеристик двигателя. Кроме того, система обеспечивает кратковременное обогащение рабочей смеси в режимах запуска двигателя (функция воздушной заслонки) и ускорения (функция ускорительного насоса), а также отсечку подачи топлива в режиме принудительного холостого хода.

Сущность: система управления построена по принципу следящей системы с обратной связью по скорости двигателя. Система содержит тахометр 11, источник 13 сигналов, соответствующих рабочим тактам двигателя, соединенный с тактовым входом 15 генератора широтно-модулированных импульсов, выход которого через усилитель 7 мощности соединен с инжектором 8. Новым в системе управления является наличие схемы 3 вычитания, прямой вход которой соединен с датчиком 1 положения механизма управления скоростью двигателя, инверсный вход соединен с выходом тахометра 11, а выход - с модулирующим входом 5 генератора широтно-модулированных импульсов. 2 ил.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая генератор широтно-модулированных импульсов, связанный с инжектором, источник тактовых сигналов двигателя, соединенный с тактовым входом генератора, электронный вычислительный блок, выход которого соединен с входом модуляции генератора широтно-модулированных импульсов, датчик положения механизма управления скоростью двигателя и тахометр, причем выходы тахометра и датчика положения соединены с входами электронного вычислительного блока, отличающаяся тем, что, с целью снижения расхода топлива и упрощения системы путем введения отрицательной обратной связи по скорости двигателя, электронный вычислительный блок выполнен в виде схемы вычитания, прямой вход которой соединен с датчиком положения механизма управления скоростью двигателя, а инверсный - с тахометром.