УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02D17/02 

Изобретение относится к двигателестроению, точнее к устройствам для управления впрыском топлива, и может быть использовано для регулирования двигателя путем изменения цикловой подачи, пропусками подачи и комбинацией названных способов в зависимости от условий эксплуатации.

Устройство для управления впрыском топлива в ДВС содержит источник питания, вход управления которого соединен через первый ключ с общей шиной питания генератора напряжения, кинематически связанного с валом двигателя, переменный резистор, связанный с органом управления и соединенный первым и вторым выводами, соответственно, с генератором напряжения и входом первого логического элемента, и датчик электрических сигналов, выполненный в виде первого ротора, соединенного с выходом первого логического элемента и взаимодействующего с контактами, каждый из которых подключен через последовательно соединенные вибратор и усилитель к запорному органу, установленному в топливной магистрали форсунки соответствующего цилиндра, причем выход источника питания соединен со вторыми входами вибратора и усилителя, а число контактов равно числу цилиндров.

Изобретение выполнено с целью повышения топливной экономичности и экологических показателей двигателя путем оптимизации управления топливоподачей при формировании скоростных и нагрузочных характеристик в зависимости от условий эксплуатации.

Для достижения указанной цели первый логический элемент выполнен в виде логического элемента И, устройство снабжено вторым логическим элементом И, вторым и третьим ключами и ответвлением топливной магистрали, соединяющей форсунку, выполненную гидроуправляемой, с источником давления топлива, выполненным в виде плунжерного насоса высокого давления, а вибратор выполнен в виде мультивибратора, причем, выход генератора напряжения соединен с первым контактом второго ключа, второй контакт которого соединен с выводом переменного резистора, соединенного с входами первого элемента И, третий контакт второго ключа соединен с входами второго элемента И, выход которого соединен с вторым ротором, дополнительно установленным в датчике электрических сигналов, взаимодействующим с контактами и имеющим кинематическую связь с валом двигателя через фазосмеситель, выполненный в виде интегрирующего механизма и соединенный одним из входов с органом управления, запорный орган установлен в упомянутом ответвлении топливной магистрали форсунки, а выход источника питания дополнительно соединен через третий ключ с первым ротором, кинематически связанным с валом двигателя прямой передачей фазосмесителя; топливный насос высокого давления выполнен с неизменяемым активным ходом плунжера; в приводе насоса высокого давления имеется автоматическая муфта опережения, например центробежная; фазосмеситель снабжен автоматической центробежной муфтой, с выходом которой связан второй ротор.

На чертеже приведена блок-схема устройства применительно к четырехцилиндровому дизелю автомобиля.

Устройство для управления впрыском топлива в двигатель 1 внутреннего сгорания содержит генератор 2 напряжения, кинематически связанный с валом двигателя 1 при неизменном передаточном отношении, и источник 3 питания, вход управления которого соединен через первый ключ 4 с общей шиной питания генератора 2. Переменный резистор 5, снабженный тремя выводами, связан с органом 6 управления. Датчик 7 электрических сигналов выполнен в виде первого ротора 8, взаимодействующего с контактами 9, каждый из которых подключен к первым входам последовательно соединенных мультивибратора 10 и усилителя 11. Источник 3 питания выходом соединен со вторыми входами мультивибратора и усилителя. Число каждого из этих элементов равно числу контактов 9, равному числу цилиндров двигателя.

Устройство имеет также второй 12 и третий 13 ключи, первый 14 и второй 15 логические элементы И и электромагнитный запорный орган 16, установленный на ответвлении каждой топливной магистрали, соединяющей плунжерный насос высокого давления (ТНВД) 17 с гидроуправляемой форсункой 18 цилиндра. ТНВД полостью низкого давления подключен к запорным органам 16. Каждый из элементов 14 и 15 на два входа, которые соединены между собой. Выход генератора 2 соединен с первым контактом 19 второго ключа 12, второй контакт 20 которого соединен с выводом переменного резистора 5; второй вывод резистора соединен с входом первого элемента 14, выход которого через диод 21 соединен с первым ротором; третий контакт 22 второго ключа 12 соединен с входом второго элемента 15, выход которого соединен через диод с вторым ротором 23, установленным в датчике 7 электрических сигналов соосно ротору 8, взаимодействующим с контактами 9 и связанным с двигателем 1 через фазосмеситель 24. Последний выполнен в виде интегрирующего зубчатого механизма, в частности планетарного, и соединен одним из входов с органом 6 управления, а выход источника 3 питания дополнительно соединен через третий ключ 13 с первым ротором 8, кинематически связанным с валом двигателя прямой передачей фазосмесителя.

Работает устройство следующим образом.

В средних условиях эксплуатации, характеризуемых умеренными частотой переключения передач автомобиля и утомляемостью водителя, когда имеются условия для экономного расходования топлива за счет оптимизации управления топливоподачей, органом 6 управления задают требуемое среднее положение переменного резистора 5, соответствующее необходимой скорости движения автомобиля, причем ключ 12 открыт с замыканием контактов 19, 20 и 22. При этом ключ 4 открыт, а ключ 13 закрыт, как и на всех рабочих режимах двигателя.

Вращением от двигателя 1 генератор 2 напряжения создает потенциал на входах элементов 14 и 15, прямо зависящий от скорости вала. Ток на входах элемента 15 зависит от потенциала и превышает порог ограничения этого элемента. Ток на входах элемента 14, подключенного к генератору через резистор 5, меньше, и потому его величина ниже порога ограничения. Вследствие этого на выходе элемента 15 сигнал имеется, а на выходе элемента 14 сигнала нет. Через второй ротор 23 и один из контактов 9 датчика 7 электрический сигнал подается на первые входы мультивибратора 10 и усилителя 11, работающих от источника питания 3, а преобразованный сигнал, высокочастотный, подается на вход электромагнитного запорного органа 16, вызывая его срабатывание в период замкнутого состояния ротора с контактом. Фазосмеситель 24 передает вращение ротору 23 со сдвигом этого периода по фазе относительно периода подачи топлива секцией ТНВД17 к соответствующей форсунке 18. Сдвиг фаз задан таков, что время срабатывания запорного органа 16 перекрывает начальный период активного хода плунжера ТНВД и начальная часть нагнетаемого топлива перепускается через ответвление магистрали в полость низкого давления ТНВД. Впрыскивание топлива через форсунку начинается в момент прерывания сигнала ротором 23, вызывающего закрытие запорного органа. Аналогично вращающийся ротор 23 включает в работу другие цилиндры, распределяя сигнал по контактам 9 и запорным органам 16.

Передвижением органа управления 6 задают через фазосмеситель угловое смещение второму ротору 23, изменяя длительность перекрытия активного хода плунжеров ТНВД периодом срабатывания запорного органа. Вследствие изменения начала подачи происходит изменение цикловой подачи в сторону увеличения, если ротор смещен против вращения, и наоборот.

Таким образом устройство обеспечивает регулирование мощности в широком диапазоне изменением опережения впрыска, что служит оптимизации процесса сгорания и улучшению показателей по удельному расходу топлива и токсичности отработавших газов. Когда при заданном положении органа управления момент сопротивления уменьшается, и скорость вала возрастает до максимальных для этого положения, то на входах первого элемента 14 ток достигает порога ограничения и на выходе его имеется сигнал. Через первый ротор 8 сигнал поступает на мультивибратор, усилитель и запорный орган, вызывая его срабатывание. Длительность и фаза замыкания ротора и контакта таковы, что вся цикловая доза топлива перепускается через ответвление, минуя форсунку, и впрыск в цилиндр пропускается.

В последующих рабочих циклах других цилиндров возможны аналогичные пропуски, если снижение мощности не снизит скорость вала и ток на входах элемента ниже порога ограничения. Чередованием пропусков и подач топлива поддерживается весьма точно максимальная скорость для заданного положения органа управления.

Поскольку работа на регуляторном участке происходит при хорошем распыливании больших доз топлива, поддающихся точному дозированию, то индикаторные и эффективные показатели двигателя выше, чем на регуляторной характеристике, получаемой при регулировании изменением цикловой подачи. Если вследствие перегрузки обороты снижаются до предела устойчивой работы, то на выходе элемента 15 сигнал исчезает и все рабочие циклы происходят с полной подачей топлива в форсунки.

Этим достигается стабилизация минимальных устойчивых оборотов, неизменных для любого положения органа управления. Следовательно, патентуемое устройство формирует более благоприятные скоростные и регуляторные характеристики двигателя, чем система с механическим всережимным регулятором, обеспечивающим пологую ветвь регуляторную ветвь скоростной характеристики с непременным выходом ее на внешнюю характеристику при перегрузке. Поэтому показатели работы улучшаются.

Для работы в тяжелых условиях эксплуатации, характеризуемых потребностью интенсивной манипуляции органом управления и мощностью, вторым ключом 12 замыкают между собой только контакты 19 и 20. При этом элемент 15 и ротор 23 отключены и регулирование цикловой подачи не производится. Каждому положению органа управления соответствует регуляторная ветвь при заданном числе оборотов, переходящая во внешнюю скоростную характеристику при перегрузке. Механизм получения их аналогичен рассмотренному с той особенностью, что все рабочие циклы совершаются при максимальной подаче, определяемой ТНВД, или при пропусках подачи в части циклов. Такая работа более эффективна, чем с всережимным механическим регулятором, как по экономике, так и по динамике автомобиля. В частности, более стабильна скорость максимальная при резких изменениях нагрузки. Это повышает динамику автомобиля, а управление автомобилем упрощается и облегчается. Требуемое значение числа оборотов вала в минуту задается, как в предыдущем случае, положением органа управления 6, определяющем сопротивление переменного резистора и ток на входах элемента 14.

Когда необходима скорость движения автомобиля более высокая, чем в предыдущем случае, например на автостраде или при легких условиях управления на хорошей дороге, второй ключ 12 устанавливают в положение, когда замкнуты между собой контакты первый 19 и третий 22. Тогда резистор 5 и цепь первого ротора 8 отключены, манипуляции органом управления передаются только фазосмесителю 24, регулирование мощности производится изменением цикловой подачи, как было рассмотрено для средних условий эксплуатации, а ограничителя оборотов нет. Благодаря этому становится возможной работа при оборотах вала значительно выше номинальных, что часто практикуют на легковых автомобилях с малоразмерными двигателями. Некоторый проигрыш в топливной экономичности тогда компенсируется сокращением времени в пути. Третий замок 13 открывают принудительно для останова двигателя. При этом на ротор 8 постоянно подается сигнал, запорные органы срабатывают во всех циклах и топливоподача прекращается. Диоды 21 обеспечивают защиту элементов 14 и 15.

В варианте устройства фазосмеситель 24 снабжен автоматической центробежной муфтой (не показана) в приводе второго ротора 23. Работает устройство аналогично рассмотренному с той особенностью, что от действия муфты ротор 23 получает дополнительное угловое смещение в несколько градусов по ходу или против хода вращения в зависимости от направления изменения скорости, что приводит к изменению угла между вторым и первым роторами. Действие муфты принято таким, чтобы с возрастанием скорости угол между роторами уменьшался. Результатом этого является увеличение перекрытия периода нагнетания топлива ТНВД периодом срабатывания запорного органа 16. Поэтому в тех условиях, когда в работе участвуют контакт 22 и связанный с ним ротор 23, рост оборотов приводит к уменьшению цикловой подачи и крутящего момента. Наоборот, при снижении скорости цикловая подача прирастает, вызывая увеличение крутящего момента. Такая коррекция повышает коэффициент приспособляемости и улучшает динамику автомобиля. Причем, при соответствующем выборе характеристики муфты фазосмесителя устройство обеспечивает работу двигателя постоянной мощности. Но вследствие того, что при снижении скорости рост цикловой подачи достигается увеличением угла опережения впрыска, когда оптимальное значение его уменьшается, то использование этой муфты как всережимной ведет к некоторому ухудшению топливной экономичности. Потому она рекомендуется для ДВС, имеющих узкий диапазон изменения скоростного режима на основных эксплуатационных режимах, например тракторных, с целью существенного облегчения труда механизатора.

В варианте устройства ТНВД имеет в приводе автоматическую муфту опережения, например центробежную (не показана).

Устройство работает аналогично рассмотренному с той особенностью, что задаваемый муфтой угловой сдвиг вала ТНВД по ходу при снижении скоростного режима ведет к сдвигу фазы нагнетания топлива от фазы срабатывания запорного органа и к росту цикловой подачи за счет изменения угла окончания впрыска при неизменном опережении впрыска, что благоприятно для повышения топливной экономичности по причине, изложенной выше. В условиях, когда контакты 19 и 22 разомкнуты и, следовательно, величина цикловой подачи не изменятся, действие этой автоматической муфты вызывает уменьшение угла опережения при снижении скоростного режима, и наоборот, что благоприятствует повышению КПД циклов, совершаемых с подачей топлива.

В варианте устройство имеет автоматические центробежные муфты в приводе ротора 23 и вала ТНВД. Работа устройства аналогична рассмотренной и отличается тем, что корректировку количества и момента начала подачи эти муфты производят параллельно, причем конкретные соотношения создаваемых эффектов зависят от характеристик пружин, задаваемых при настройке. В частности, при одинаковых характеристиках пружин автоматических всережимных муфт их совместное действие вызывает увеличение угла опережения впрыскивания топлива при неизменной цикловой подаче. Это служит увеличению коэффициента приспособляемости за счет роста индикаторного КПД.

В варианте устройство имеет ТНВД с неизменяемым активным ходом плунжера, измеряемым от геометрического начала подачи до момента отсечки.

Эта принципиальная особенность предопределяет исключение из конструкции зубчатой рейки и зубчатых секторов, а также механического всережимного регулятора, и выполнение плунжеров с кольцевой (невинтовой) канавкой. Такой ТНВД значительно проще, легче и дешевле в производстве и надежнее в эксплуатации. Работает устройство по рассмотренным схемам, не зависящим от этих особенностей конструкции.

Применительно к двигателю с принудительным зажиганием и впрыскиванием топлива в цилиндр или во впускной трубопровод с использованием гидроуправляемых форсунок и плунжерного насоса устройство имеет орган управления, связанный дополнительно с дроссельной заслонкой. Впрыскивание производят, например, в середине такта сжатия без жестких ограничений по углу опережения. Тогда особенность работы состоит лишь в том, что устройство служит для оптимизации цикловой подачи и пропусков подачи в соответствии с условиями эксплуатации двигателя. По сравнению с прототипом это обеспечивает дополнительное повышение показателей двигателя.

Сущность изобретения: устройство имеет гидроуправляемую форсунку (Ф), в каждом из цилиндров соединенную топливной магистралью с топливным насосом высокого давления (ТНВД) плунжерного типа. Каждая магистраль имеет ответвление, соединенное через запорный орган (30) с полостью низкого давления ТНВД. устройство имеет источник питания (ИП), соединенный через первый ключ К1 с общей шиной питания генератора напряжения (ГН), кинематически связанного с валом ДВС, и датчик электрических сигналов (Д), выполненный в виде двух соосных роторов Р1 и и Р2, соединенных с валом ДВС, соответственно, прямо и через фазосмеситель (Ф) и взаимодействующих с контактами, выполненными по числу цилиндров. Ф выполнен в виде интегрирующего механизма и связан с органом управления (ОУ). Каждый из контактов Д подключен к соответствующему 30 последовательно через мультивибратор и усилитель, соединенные вторыми входами с ИП. ГН через второй ключ К2, имеющий два выхода и три рабочих положения, соединен с Р1 и Р2, причем соединение с Р1 выполнено через переменный резистор и логический элемент И (И1) на два входа, соединенных между собой, а соединение с Р2 - через логический элемент И2, аналогичный И1, Р1 через третий ключ К3 соединен с ИП. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащее источник питания, вход управления которого соединен через первый ключ с общей шиной питания генератора напряжения, кинематически связанного с валом двигателя, переменный резистор, связанный с органом управления и соединенный первым и вторым выводами соответственно с генератором напряжения и входом первого логического элемента, датчик электрических сигналов, выполненный в виде первого ротора, соединенного с выходом первого логического элемента и взаимодействующего с контактами, каждый из которых подключен через последовательно соединенные генератор импульсов и усилитель к запорному органу, установленному в топливной магистрали высокого давления форсунки соответствующего цилиндра, причем, выход источника питания соединен со вторыми входами генератора импульсов и усилителя, а число контактов равно числу цилиндров, отличающееся тем, что первый логический элемент выполнен в виде логического элемента И, устройство снабжено вторым логическим элементом И, вторым и третьим ключами и ответвлением топливной магистрали, соединяющей форсунку, выполненную гидроуправляемой, с источником высокого давления топлива, выполненного в виде плунжерного насоса высокого давления, а генератор импульсов выполнен в виде мультивибратора, причем, выход генератора напряжения соединен с первым контактом второго ключа, второй контакт которого соединен с выводом переменного резистора, соединенного с входами первого логического элемента И, третий контакт второго ключа соединен с входами второго логического элемента И, выход которого соединен со вторым ротором, дополнительно установленным в датчике электрических сигналов, взаимодействующим с контактами и связанным с валом двигателя через фазосмеситель, выполненный в виде интегрирующего механизма и соединенного одним входом с органом управления, запорный орган установлен в ответвлении топливной магистрали, а выход источника питания дополнительно соединен через третий ключ с первым ротором, связанным с валом двигателя прямой передачей фазосмесителя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что топливный насос выполнен с неизменяемым ходом плунжера. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в приводе насоса высокого давления имеется автоматическая муфта опережения, например центробежная. 4. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что фазосмеситель снабжен автоматической центробежной муфтой, с выходом которой связан второй ротор датчика электрических сигналов.