СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УСТАНОВКИ ОПТИМАЛЬНЫХ МОМЕНТОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАБОЧЕЙ СМЕСИ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02P5/04 

Изобретение относится к области построения двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Широко применяется на автомобилях и моторостроительных заводах, например на Нижегородском автомобильном заводе, на Заволжском моторном заводе, известный способ определения оптимальных моментов воспламенения рабочей смеси в ДВС и известный способ установки моментов воспламенения рабочей смеси в ДВС, которые заключаются в следующем.

Известный способ определения оптимальных моментов воспламенения рабочей смеси в ДВС заключается в том, что для каждого типа ДВС опытным путем на стадии отработки двигателя для основных установившихся режимов его работы отыскиваются такие моменты воспламенения (обычно выражающиеся через углы опережения зажигания для двигателей с искровым зажиганием или углы опережения впрыска для дизельных двигателей), которые обеспечивают получение от ДВС максимальной мощности на этих режимах. Эти найденные моменты воспламенения считают оптимальными с точки зрения получения от ДВС максимальной мощности, представляют их в виде таблиц или графиков в функции от отдельных параметров ДВС и считают их типовыми для всех серийно изготавливаемых двигателей этого типа на весь срок их эксплуатации.

Известный способ установки моментов воспламенения рабочей смеси в ДВС заключается в том, что в соответствии с найденными на этапе отработки двигателя зависимостями моментов воспламенения рабочей смеси от отдельных параметров работы ДВС на реальных двигателях разрабатываются устройства установки этих моментов воспламенения, например центробежные регуляторы угла опережения зажигания или впрыска.

Такие устройства представляют собой разомкнутые системы прямого регулирования по заданным программам без обратной связи по основному параметру оптимизации мощности ДВС.

Ввиду того что способ одновременного определения и установки оптимальных моментов воспламенения рабочей смеси в реально работающем двигателе неизвестен, применяют последовательное, в соответствии с этапами разработки ДВС, использование известного способа определения оптимальных моментов воспламенения и известного способа установки моментов воспламенения рабочей смеси в ДВС. Такое применение этих способов при построении ДВС приобретает недостатки их последовательного, разделенного во времени сочетания и не устраняет недостатки каждого способа в отдельности.

1. В связи с тем что известный способ определения оптимальных моментов и известный способ установки моментов воспламенения рабочей смеси в ДВС разделены во времени (один применяется на этапе отработки двигателя, другой - на этапе эксплуатации двигателя), они не могут быть использованы на одном конкретном экземпляре двигателя, работающего в реальных условиях. Сочетание этих способов рассчитано на идентичность конструкций и характеристик двигателя в целом и отдельных его узлов, идентичность горючих и смазочных материалов, идентичность всех условий работы ДВС как в период отработки этого типа двигателей, так и в течение всего дальнейшего периода серийного выпуска двигателей этого типа и периода эксплуатации конкретных экземпляров. Даже небольшие отклонения указанных параметров реального экземпляра двигателя, работающего в реальных условиях, от соответствующих параметров, сложившихся в период снятия его характеристик при отработке, может привести к значительным отклонениям реализуемых значений моментов воспламенения от оптимальных.

2. Способ определения оптимальных моментов воспламенения рабочей смеси в ДВС позволяет определить эти моменты только на установившихся режимах работы двигателя. Никаких рекомендаций для оптимизации моментов воспламенения рабочей смеси на переходных, неустановившихся режимах работы ДВС этот способ не дает. В реальных условиях эксплуатации двигателей значительную часть времени занимают именно такие переходные, неустановившиеся режимы работы, особенно характерные для городских циклов движения транспорта. В этих условиях установка моментов воспламенения рабочей смеси зависит от нерегламентированных переходных характеристик регулирующих устройств, например центробежных и вакуумных регуляторов. Эти переходные характеристики эмпирическим путем могут быть в какой-то мере скорректированы лишь при доводке двигателя на этапе эксплуатации.

3. Способ установки моментов воспламенения рабочей смеси в ДВС для реализации найденных оптимальных моментов воспламенения предполагает создание устройств, которые позволяли бы учитывать и отрабатывать большое количество параметров, обусловленных изменяющимися внешними условиями и режимами работы двигателя. Наиболее простые устройства, предпочитаемые в массовом и серийном производстве, учитывают только несколько параметров, определяемых режимами работы двигателя, и способны отрабатывать лишь так называемую "гладкую" зависимость и лишь в ограниченном диапазоне входных воздействий. К числу отрабатываемых параметров относятся, как правило, частота вращения коленчатого вала двигателя и его нагрузка, характеризуемая давлением во впускном трубопроводе. Поэтому реальные двигатели с искровым зажиганием обычно имеют только центробежный и вакуумный регуляторы узла опережения зажигания, а дизельные двигатели лишь центробежный регулятор опережения впрыска.

Разработанные для этих же целей электронные устройства (например, в автомобиле ВАЗ-21083-02), использующие возможности микропроцессорной техники, построенные по принципу сбора информации о параметрах с помощью соответствующих датчиков и осуществляющие прямое регулирование по заданной характеристике, обладают расширенными возможностями, но даже и они не в состоянии учесть и отработать все параметры, от которых зависят оптимальные моменты воспламенения рабочей смеси, например теплотворная способность и детонационные свойства используемого в конкретных условиях топлива, температура, влажность и атмосферное давление окружающего воздуха, состав и качество рабочей смеси, которая приготовлена конкретными устройствами смесеобразования в конкретных условиях работы, и другие. Целесообразность использования указанных электронных устройств заключается лишь в более точной установке заданных моментов воспламенения рабочей смеси при возможности реализации не только "гладкой", но и любой другой зависимости.

Таким образом, совместное использование известного способа определения оптимальных моментов воспламенения и известного способа установки моментов воспламенения рабочей смеси в ДВС не позволяет добиться установки оптимальных моментов воспламенения в двигателе, работающем в реальных условиях, что приводит к значительному снижению его достижимой в этих условиях мощности.

Кроме этого известен "Способ управления зажиганием двигателей внутреннего сгорания", а.с. N 861707, в котором предложено управление зажиганием по сформированным сигналам, соответствующим максимальному давлению в камере сгорания и оптимального положения коленчатого вала, а также по результатам расчета времени горения и величине ошибки регулирования.

Недостатком такого способа являются трудоемкие измерения и вычисления, а также трудности реализации.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков при определении и установке оптимальных моментов воспламенения рабочей смеси в ДВС, работающем в реальных условиях, и тем самым получение от двигателя максимально достижимой в этих условиях мощности.

Поставленная задача решается таким образом.

В каждом такте рабочего хода ДВС производят фиксирование момента времени поворота коленчатого вала двигателя на заданный оптимальный угол относительно верхней "мертвой" точки (М1) и фиксирование момента времени развития максимального давления в камере сгорания при сгорании рабочей смеси (М2), затем смещают момент воспламенения рабочей смеси в последующих циклах работы ДВС в сторону опережения в случае, если М1 наступает раньше, чем М2, или в сторону запаздывания, если М2 наступает раньше, чем М1, до совпадения во времени моментов М1 и М2, при этом фиксирование момента времени поворота коленчатого вала на заданный оптимальный угол поворота и момента времени развития максимального давления в камере сгорания при сгорании рабочей смеси осуществляют в каждом такте рабочего хода, причем заданный оптимальный угол поворота коленчатого вала отсчитывают относительно верхней "мертвой" точки, а смещение момента воспламенения рабочей смеси в последующих циклах работы двигателя до совпадения момента времени поворота коленчатого вала двигателя на заданный оптимальный угол и момента времени развития максимального давления в камере сгорания при сгорании рабочей смеси осуществляют в системе зажигания с устройством электронного регулирования момента воспламенения или в системе впрыска топлива с электрическим приводом форсунок.

Новым в предлагаемом способе является то, что фиксирование момента времени поворота коленчатого вала на заданный оптимальный угол поворота и момента времени развития максимального давления в камере сгорания при сгорании рабочей смеси осуществляют в каждом такте рабочего хода, причем заданный оптимальный угол поворота коленчатого вала отсчитывают относительно верхней "мертвой точки", а смещение момента воспламенения рабочей смеси в последующих циклах работы двигателя до совпадения момента времени поворота коленчатого вала двигателя на заданный оптимальный угол и момента времени развития максимального давления в камере сгорания при сгорании рабочей смеси осуществляют в системе зажигания с устройством электронного регулирования момента воспламенения или в системе впрыска топлива с электрическим приводом форсунок.

Из теории двигателей внутреннего сгорания известно, что максимальная мощность двигателя развивается тогда, когда максимальное давление в цилиндре при сгорании рабочей смеси достигается на оптимальном угле поворота коленчатого вала (приблизительно 15-18^o) после положения, в котором поршень занимает верхнюю "мертвую" точку (Автомобильные двигатели. Под ред. доктора технических наук Ховаха М.С. М. Машиностроение, 1977; Сороко-Новицкий В.И. Динамика процесса сгорания и влияния его на мощность и экономичность двигателя. М. Машгиз, 1946).

Отклонение момента развития максимального давления в камере сгорания от оптимального угла вследствие действия различных факторов приводит к снижению мощности двигателя.

Из этих же источников известно, что максимальное давление в камере сгорания образуется к моменту завершения второй фазы процесса горения рабочей смеси. Следовательно, моментом развития максимального давления можно управлять, изменяя во времени момент воспламенения рабочей смеси.

Вне зависимости от того, что изменение какого фактора или группы факторов привело к нарушению выполнения условия получения от ДВС максимальной мощности, компенсировать влияние этих факторов, то есть восстановить условие получения максимальной мощности, можно изменением момента воспламенения рабочей смеси.

Для этого в каждом такте рабочего хода ДВС производят фиксирование момента времени поворота коленчатого вала двигателя на заданный оптимальный угол относительно верхней "мертвой" точки (М1) и фиксирование момента времени развития максимального давления в камере сгорания при сгорании рабочей смеси (М2), затем смещают момент воспламенения рабочей смеси в последующих циклах работы ДВС в сторону опережения в случае, если М1 наступает раньше, чем М2, или в сторону запаздывания, если М2 наступает раньше, чем М1, до совпадения во времени моментов М1 и М2.

Отклонение от временного совпадения указанных моментов времени М1 и М2, которое может явиться результатом изменения одного или нескольких факторов, влияющих на работу двигателя (например, нагрузки, скорости вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости, температуры окружающего воздуха или топлива, детонационных свойств топлива при его смене, свойств смазочных материалов и многих других), аналогичным образом будет скомпенсировано соответствующим смещением момента воспламенения в последующих циклах работы ДВС.

Таким образом, во всех условиях и режимах работы двигателя устройство, реализующее предлагаемый способ определения и установки оптимальных моментов воспламенения рабочей смеси в ДВС, обеспечит выполнение условия получения максимально достижимой в данных конкретных условиях мощности.

Такое устройство, например, для двигателя с искровым зажиганием автомобиля ВАЗ-2103 может быть выполнено на основе следующих известных устройств.

Определение момента поворота коленчатого вала двигателя на заданный угол в каждом цикле работы (М1) может быть проведено с помощью прерывателя стандартного распределителя зажигания, например, для автомобиля ВАЗ-2103 типа Р-125, отрегулированного на прерывание электрической цепи на угле приблизительно 18^o после верхней "мертвой" точки по положению коленчатого вала двигателя, что соответствует приблизительно 9^o после ВМТ по ротору распределителя. При этом центробежный регулятор должен быть заблокирован. (Вакуумный регулятор отсутствует.)
Определение момента развития максимального давления в камере сгорания при сгорании рабочей смеси (М2) может быть проведено с помощью пьезоэлектрического датчика, например, типа 6051А 0,5 Швейцарской фирмы "Кистлер" (журнал "Изобретатель и рационализатор", N 7-8 за 1992 г.), и электронной схемы выделения пикового момента электрического сигнала датчика. Пьезоэлектрический датчик давления может быть конструктивно оформлен совместно с двигателем при организации специального канала передачи давления непосредственно из камеры сгорания или может быть совмещен со свечой зажигания (тип 6511sp фирмы "Кистлер").

Далее с помощью устройства типа временного дискриминатора время между моментами М1 и М2 может быть преобразовано в электрическое напряжение, величина которого пропорциональна этому временному промежутку, а полярность соответствует знаку разности (М1-М2). Это напряжение соответствующим образом может быть использовано в качестве напряжения, управляющего временным звеном в устройстве зажигания с электронным регулированием момента воспламенения горючей смеси по типу, например, устройства фирмы "Сименс" (Бела Буна. Электроника на автомобиле. М. Транспорт, 1979).

Для дизельного двигателя устройство может быть выполнено следующим образом.

Определение момента времени М1 может быть проведено, например, с помощью индукционного датчика типа 14.3847, который входит в состав устройства, аналогичного используемому в автомобиле ВАЗ-21083-02 для генерации импульсов "начала отсчета" в микропроцессорной системе зажигания.

Определение момента времени М2 может быть проведено с помощью пьезоэлектрического датчика давления, например, типа 6051А 0,5 швейцарской фирмы "Кистлер" с электронным устройством выделения пикового момента электрического сигнала датчика.

Электрические сигналы моментов времени М1 и М2 с помощью временного дискриминатора могут быть преобразованы в управляющее напряжение для регулятора моментов воспламенения рабочей смеси. В качестве такого регулятора в дизельном двигателе может быть использовано устройство впрыска топлива с электрическим приводом форсунок, имеющего возможность управлять моментами впрыска топлива с помощью электрического напряжения.

Таким образом, предлагаемый способ определения и установки оптимального момента воспламенения рабочей смеси в ДВС предполагает создание адаптивной системы, представляющей собой замкнутую систему автоматического регулирования. Объектом регулирования системы является двигатель. Параметр, определяющий создание условия достижения максимальной мощности ДВС (основной выходной параметр объекта регулирования), используется для организации обратной связи на регулятор. В качестве регулятора используется устройство, которое позволяет управлять моментами воспламенения рабочей смеси.

Использование: двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Сущность изобретения: производят фиксирование момента времени поворота коленчатого вала двигателя на заданный оптимальный угол (М1) и фиксирование момента времени развития максимального давления в камере сгорания при сгорании рабочей смеси (М2). Затем смещают момент воспламенения рабочей смеси в последующих циклах работы ДВС в сторону опережения в случае, если М1 наступает раньше, чем М2, или в сторону запаздывания, если М2 наступает раньше, чем М1, до совпадения во времени моментов М1 и М2. Фиксирование момента времени поворота коленчатого вала на заданный оптимальный угол поворота и момента времени развития максимального давления в камере сгорания при сгорании рабочей смеси осуществляют в каждом такте рабочего хода, причем заданный оптимальный угол поворота коленчатого вала отсчитывают относительно верхней мертвой точки, а смещение момента воспламенения рабочей смеси в последующих циклах работы двигателя на заданный оптимальный угол и момента времени развития максимального давления в камере сгорания при сгорании рабочей смеси осуществляют в системе зажигания с устройством электронного регулирования момента воспламенения или в системе впрыска топлива с электрическим приводом форсунок.

Способ определения и установки оптимальных моментов воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания, заключающийся в фиксировании момента времени поворота коленчатого вала на заданный оптимальный угол, в фиксировании момента времени развития максимального давления в камере сгорания при сгорании рабочей смеси и задержке момента зажигания на определенный угол поворота коленчатого вала так, чтобы момент времени максимального давления приходился на момент времени поворота вала на оптимальный угол, отличающийся тем, что фиксирование момента времени поворота коленчатого вала на заданный оптимальный угол поворота и момента времени развития максимального давления в камере сгорания при сгорании рабочей смеси осуществляют в каждом такте рабочего хода, причем заданный оптимальный угол поворота коленчатого вала отсчитывают относительно верхней мертвой точки, а смещение момента воспламенения рабочей смеси в последующих циклах работы двигателя до совпадения момента времени поворота коленчатого вала двигателя на заданный оптимальный угол и момента времени развития максимального давления в камере сгорания при сгорании рабочей смеси осуществляют в системе зажигания с устройством электронного регулирования момента воспламенения или в системе впрыска топлива с электрическим приводом форсунок.