УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ РАБОТЫ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B60K41/00 F02D11/10 

Изобретение относится к области электрических автоматических регуляторов режима работы автомобильных двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано для поддержания в автоматическом режиме заданной скорости вращения вала двигателя или скорости движения автомобиля.

Известно устройство Система управления педалью акселератора моторного транспортного средства (патент США, N 56821817, кл. F 02 D, 11/10). При использовании указанной системы управления с электрокомпонентами или другими элементами автоматики в случае нарушений нормальной работы этих элементов, дроссельная заслонка может остаться в открытом состоянии несмотря на отпущенную педаль. Для исключения этого предусмотрены датчик нулевого хода педали, датчик начального положения дроссельной заслонки и генератор сигнала неисправности, который выдает оповещающий сигнал или сигнал отключения системы.

Данное устройство предусматривает включение дополнительных элементов с целью устранения возможных отказов системы дистанционного управлений дроссельной заслонкой карбюратора двигателя внутреннего сгорания. Особенность данного технического решения заключается в передаче воздействия от педали акселератора не механическим путем (например, с помощью троса), а с помощью промежуточных электронных блоков, т.е. путем преобразования механического перемещения педали акселератора в электрическую энергию с последующей передачей электрической энергии к электромеханическому устройству, связанному с дроссельной заслонкой. В устройстве не предусмотрена возможность автоматического управления дроссельной заслонкой в зависимости от режима работы двигателя и скорости движения автомобиля.

Известно также устройство (прототип) "Система регулирования частоты вращения холостого хода двигателя", (патент США N 4562808, кл. F 02 D, 11/10). Система содержит датчик частоты вращения двигателя, вращающийся сигнал действительной частоты вращения, датчик нагрузки на двигатель, определяющий внешнюю нагрузку на двигатель, заслонку управления расходом поступающего в двигатель воздуха, компаратор и исполнительное устройство, компаратор сравнивает сигналы и вырабатывает управляющий сигнал обратной связи. В соответствии с этим сигналом исполнительное устройство приводит в действие заслонку управления потоком поступающего воздуха таким образом, чтобы изменить расход воздуха, и следовательно приблизить действительную частоту к требуемой частоте вращения, задаваемой эталонным сигналом. Устройство для модификации сигналов в случае, когда двигатель работает под нагрузкой, суммирует управляющий сигнал с выходным сигналом датчика нагрузки, вырабатывая соответствующий сигнал обратной связи. Если двигатель имеет внешнюю нагрузку, то переключатель обратной связи на этот период времени отключает цепь обратной связи. Задатчик вырабатывает эталонные сигналы в зависимости от температуры двигателя. В соответствии с базовым сигналом управления, управляющим сигналом обратной связи и модифицирующей величиной устройство управления вырабатывает окончательный сигнал управления.

Данная система позволяет управлять работой двигателя под нагрузкой, учитывая при выработке сигнала управления величину нагрузки, температуру двигателя и заданную уставку (режим работы). Однако для двигателя автомобиля такая система управления неприемлем, а так как большую часть времени при движении автомобиля частотой вращения вала двигателя должен управлять водитель и только на время переключения передач (изменений нагрузки на двигатель и при переходе на холостой ход, т.е. при каждом отжатии сцепления) функции оптимального управления двигателем должен брать автомат.

Цель предлагаемого технического решения обеспечение оптимального режима работы двигателя при изменениях скорости движения в диапазоне, соответствующим техническим характеристикам автомобиля.

Цель достигается тем, что измеряют скорость вращения вала двигателя и вала отбора мощности двигателя, определяют разность скоростей вращения, по величине которой осуществляют операцию автоматического регулирования вращения вала двигателя, снижая разность скоростей вращения до минимума, а в начале движения автомобиля сравнивают скорость вращения вала двигателя с заданной уставкой и управляют работой двигателя снижая эту разность до минимума.

Способ реализуют с помощью устройства, включающего два канала: канал регистрации периода вращения вала двигателя и канал регистрации периода вращения вала отбора мощности, каждый канал состоит из усилителей-ограничителей, дифференцирующих цепей, амплитудных детекторов, индукционных датчиков и RS-триггеров; балансный усилитель; электронные ключи; генератор импульсов; ждущий мультивибратор; интегрирующие цепи; логические элементы "НЕ"; нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакты, установленные на педали сцепления; индукционный исполнительный механизм. Два индукционных датчика первого канала установлены над электромагнитной меткой на валу двигателя до муфты сцепления (в качестве электромагнитной метки может быть использована любая неоднородность на валу двигателя), а два индукционных датчика второго канала расположены над меткой на валу отбора мощности, после муфты сцепления выходы всех индукционных датчиков соединены с входами усилителей-ограничителей, выходы которых соединены с входами дифференцирующих цепей, а выходы дифференцирующих цепей соединены с входами амплитудных детекторов. Выход первого амплитудного детектора каждого из каналов соединен с входом "сброс", а второго с входом "установка" RS-триггеров. Прямой выход первого RS-триггера соединен через первый электронный ключ с первым входом балансного усилителя, а прямой выход второго RS-триггера соединен через второй и первый электронные ключи со вторым входом балансного усилителя. Выход балансного усилителя подключен к индукционному исполнительному механизму. Вход синхронизации генератора импульсов подключен к выходу второго амплитудного детектора первого канала, а сигнальные выходы генератора импульсов подключены непосредственно к управляющему входу первого электронного ключа, и, через последовательную цепь, состоящую из интегрирующей цепи, логического элемента "НЕ" и нормально замкнутые контакты, установленные на педали сцепления, к сигнальному входу второго электронного ключа. Управляющий вход второго электронного ключа соединен с входом второго амплитудного детектора второго канала через последовательно включенные ждущий мультивибратор, интегрирующую цепь и логический элемент "НЕ".

Существенным отличием является то, что при нажатии на педаль сцепления (т. е. при переходе на автоматический режим управления работой двигателя автомобиля) производят синхронное измерение скоростей вращения вала двигателя до муфты сцепления и вала отбора мощности двигателя, находят разность скоростей вращения и по разности скорости вращения определяют величину регулирующего воздействия, перемещая автоматически рычаг регулирования подачи воздушно-газовой смеси топлива (изменяя положение дроссельной заслонки) до минимальной величины разности скоростей вращения вала двигателя до муфты сцепления и вала отбора мощности (при движении автомобиля). Или уменьшая разность между скоростью вращения вала двигателя и уставкой, при начале движения автомобиля. Такое автоматическое регулирование режимом работы двигателя позволяет независимо от опыта и психофизического состояния водителя осуществлять плавное движение автомобиля при оптимальной работе двигателя.

Существенным отличием устройства является установка первой пары индукционных датчиков над электромагнитной меткой на валу двигателя и второй пары индукционных датчиков над меткой на валу отбора мощности (на валу после муфты сцепления), подключение каждого из датчиков через последовательную цепь, состоящую из усилителя-ограничителя, дифференцирующей цепи и амплитудного детектора к соответствующим входам "установка" и "сброс" RS-триггеров. Такое включение позволяет преобразовать угловые скорости вращения вала двигателя и вала отбора мощности в длительность импульсов на выходе триггеров. Разность длительности импульсов может быть найдена как в аналоговой форме, так и в дискретной. (Сигнал с выхода триггеров может подаваться для обработки и формирования управляющего воздействия на микро ЭВМ). В рассмотренном примере сигнал обрабатывается в аналоговой форме. Прямые выходы RS-триггеров нагружены через первый и второй электронные ключи на балансный усилитель, в качестве симметричной нагрузки которого используется индукционный исполнительный механизм управления подачей газотопливной смеси в двигатель. Данная часть устройства позволяет при отжатом сцеплении (контакты 1 замкнуты, 2 - разомкнуты) устанавливать оптимальную подачу газотопливной смеси для данной скорости движения автомобиля. Новизной устройства является также использование электрической цепи, состоящей из ждущего мультивибратора, интегрирующей цепи и логического элемента "НЕ", в которой вход ждущего мультивибратора соединен с выходом второго амплитудного детектора второго канала, а выход элемента "НЕ" соединен с управляющим входом второго электронного ключа, с помощью которого во время остановки автомобиля второй вход балансного усилителя переключается от прямого выхода второго RS-триггера на выход генератора импульсов. Применение этой части устройства дает возможность плавно набирать скорость движения автомобиля после остановки. В этом режиме импульсные сигналы с генератора импульсов поступают на второй вход первого электронного ключа через последовательную цепь, состоящую из интегрирующей цепи, логического элемента "НЕ", нормально замкнутых контактов, установленных на педали сцепления, и контакты второго электронного ключа (нормально замкнутые контакты на педали сцепления работают на интервале от выбора холостого хода педали сцепления до полного отключения сцепления). Интенсивность разгона автомобиля при этом устанавливается экспериментально для каждого типа двигателя. Оптимальная величина ускорения регулируется постоянной времени интегрирующей цепи, амплитудой и длительностью импульсов генератора импульсов.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, где 1 канал регистрации периода вращения вала двигателя, 2 канал регистрации периода вращения вала отбора мощности, 3 и 4 индукционные датчики, установленные над электромагнитными метками 5 на валу двигателя 6 до муфты сцепления 7, индукционные датчики 8 и 9, установленные над электромагнитной меткой 5 на валу отбора мощности 10 после муфты сцепления 7, усилители-ограничители 11₁-11₄, дифференцирующие цепи 12₁-12₄, амплитудные детекторы 13₁-13₄, RS-триггеры 14₁-14₂, электронные ключи 15₁-15₂, балансный усилитель 16, индукционный исполнительный механизм 17, генератор импульсов 18, ждущий мультивибратор 19, интегрирующие цепи 20₂-20₂, логические элементы "НЕ" 21₁-21₂, нормально замкнутый контакт S1 и нормально разомкнутый контакт S2, установленные на педали сцепления.

В канале регистрации периода вращения вала двигателя 1 индукционный датчик 3 подключен к входу усилителя ограничителя 11₁, а индукционный датчик 4 к входу усилителя ограничителя 11₂. Усилитель-ограничитель 11₁ через последовательно соединенные дифференцирующую цепь 12₁ и амплитудный детектор 13₁ подключен к входу "сброс", а усилитель-ограничитель 11₂, через последовательно соединенные дифференцирующую цепь 12₂ и амплитудный детектор 13₂ ко входу "установка" первого RS-триггера. Выход амплитудного детектора 13₂ соединен также с входом синхронизации генератора импульсов 18. В канале регистрации периода вращения вала отбора мощности индукционный датчик 8 через последовательно включенные усилитель-ограничитель 11₃, дифференцирующую цепь 12₃ и амплитудный детектор 13₃ подключен к входу "сброс", а индукционный датчик 9 через последовательно включенные усилитель-ограничитель 11₄, дифференцирующую цепь 12₄ и амплитудный детектор 13₄ подключен к входу "установка" RS-триггера 14₂. Прямой выход RS-триггера 14₁ подключен к первому входу балансового усилителя 16 через электронный ключ 15₁, а прямой выход второго RS-триггера 14₂ через контакты электронных ключей 15₂ и 1₁ подключен ко второму входу балансного усилителя 16. Выход балансного усилителя 16 подключен к индукционному исполнительному механизму 17 с симметричными обмотками. Выходы импульсного генератора 18 подсоединены к сигнальному входу электронного ключа 15₂ через интегрирующую цепь 20₂, логический элемент "НЕ" 21₂ и нормально замкнутые контакты S1 к входу управления электронного ключа 15₁. Выход амплитудного детектора 13₄ соединен через последовательно включенные ждущий мультивибратор 19, интегрирующую цепь 20₁ и логический элемент "НЕ" 21₁ с входом управления электронного ключа 15₂. Выход генератора импульсов 18 подсоединен к входу управления электронного ключа 15₁ через нормально разомкнутые контакты S2, установленные на педали сцепления.

Устройство работает следующим образом.

1. При равномерном вращении вала двигателя 6 и вала отбора мощности 10 угловые скорости движения электромагнитных меток (неоднородностей) 5 под датчиками 3,4 на валу двигателя 6 до муфты сцепления 7 и под датчиками 8,9 на валу отбора мощности 10 после муфты сцепления 7 одинаковы. Индуцированные в индукционных датчиках 3,4 и 8,9 импульсы после усиления в усилителях-ограничителях 11₁-11₄, дифференцирования дифференцирующими цепями 12₁-12₄ и амплитудного детектирования 13₁-13₄ управляют работой первого и второго RS-триггеров 14₁-14₂. На выходе триггеров 14₁-14₂ формируются импульсы равной длительности. Эти импульсы с триггера 14₁ поступают на вход электронного ключа 15₁, а с триггера 14₂ через нормально замкнутые контакты электронного ключа 15₂ на второй вход электронного ключа 15₁. С помощью генератора импульсов 18, синхронизируемого от амплитудного детектора 13₂, электронный ключ 15₁ подключает импульсы, сформированные триггерами 14₁ и 14₂, на входы балансного усилителя 16. Время, в течение которого выходы триггеров 14₁ и 14₂ подключены к входам балансного усилителя 16, не превышает периода вращения вала двигателя. Импульсы управления электронным ключом 15₁ поступают на его вход с выхода генератора импульсов только тогда, когда с помощью педали сцепления замкнуты контакты S2. При поступлении на вход балансного усилителя импульсов равной длительности ток в каждой из симметричных половинок обмотки индукционного исполнительного механизма 17 будет равен по величине и противоположно направлен. Результирующее воздействие индукционного исполнительного механизма 17 на регулирующий элемент (заслонку) равно нулю.

2. Автомобиль движется с ускорением. В этом случае при нажатии на педаль сцепления электронный ключ 15₁ подключает на вход балансного усилителя 16 импульсы от RS-триггеров 14₁ и 14₂. Например, вал двигателя до муфты сцепления вращается с более высокой угловой скоростью, чем вал отбора мощности. Тогда на вход балансного усилителя 16 с выхода RS-триггера 14₁ (за время, при котором электронный ключ 15₁ замкнут) поступают более короткие импульсы, чем с выхода RS-триггера 14₂. При этом ток в одной из половинок индукционной катушки исполнительного механизма будет превышать ток в другой половине индукционной катушки, в результате индукционный исполнительный механизм 17 будет поворачивать заслонку (исполнительное устройство), уменьшая подачу газотопливной смеси до тех пор, пока токи в обоих половинах индукционной катушки не уравновесятся. Равновесие токов наступит при равенстве импульсов на выходе триггеров 14₁ и 14₂.

Если вал двигателя вращается медленнее, чем вал отбора мощности, то на вход балансного усилителя 16 поступают импульсы с триггера 14₁ большей длительности, чем с триггера 14₂. Исполнительный механизм будет воздействовать на поток газотопливной смеси таким образом, чтобы увеличить подачу газотопливной смеси, а следовательно, и угловую скорость вращения вала двигателя.

В приведенных примерах описан режим работы устройства при движении автомобиля. Если автомобиль остановился, то скорость вращения вала отбора мощности равна нулю, в этом случае на вход ждущего мультивибратора 19 не поступают импульсы с выхода амплитудного детектора 13₄, на выходе интегрирующей цепи 20₁ сигнал уменьшится до уровня логического нуля ("0"), на выходе логического элемента "НЕ"-21₁ сформируется логическая единица ("1"). Напряжение логической единицы с выхода логического элемента "НЕ"-21₁ поступает на управляющий вход электронного ключа 15₂. Электронный ключ 15₂ переключает второй вход электронного ключа 15₁ с выхода RS-триггера 14₂ к клемме нормально замкнутого контакта S1 на педали сцепления. При этом выход генератора импульсов 18 через последовательную цепь, состоящую из интегрирующей цепи 20₂, логического элемента "НЕ" 21₂ и нормально замкнутых контактов S1, установленных на педали сцепления, подсоединяют ко второму входу электронного ключа 15₂. На второй вход электронного ключа 15₁, а следовательно, и на вход балансного усилителя 16 поступают при этом импульсы от RS-триггера 14₁ и импульсы, сформированные последовательной цепью генератор импульсов 18 - интегрирующая цепь 20₂ логический элемент "НЕ"-21₂. Эта цепь подобрана таким образом, чтобы обеспечить оптимальный разгон после остановки автомобиля. Как только на выходе RS-триггера 14₂ вновь появятся импульсы, схема, состоящая из последовательно соединенных ждущего мультивибратора 19, интегрирующей цепи 20₁ и логического элемента "НЕ"-21₁, переводит электронный ключ 15₂ в исходное состояние (работа во время движения автомобиля).

Применение предлагаемого технического решения "Способ и устройство автоматического управления режимом работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания" позволит оптимизировать режим работы двигателя автомобиля при изменениях скорости движения, что позволит сократить расход топлива, улучшить комфортабельность обслуживания пассажиров, упростит работу водителя, уменьшит объем вредных выбросов в атмосферу, повысит конкурентоспособность отечественных автомобилей на мировом рынке.

Использование: в области электрических регуляторов режима работы автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: измеряют скорость вращения вала двигателя и вала отбора мощности, определяют разность скоростей вращения, по величине которой осуществляют операцию автоматического регулирования вращения вала двигателя. 1 ил.

Устройство автоматического управления режимом работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания, содержащее неоднородности на валу двигателя, не совпадающие по электропроводности и/или магнитной проницаемости с соответствующими характеристиками вала двигателя, индукционные датчики, отличающееся тем, что, с целью обеспечения оптимального режима работы двигателя при изменениях скорости движения автомобиля, оно снабжено каналом регистрации периода вращения вала двигателя, электромагнитной меткой на валу отбора мощности, каналом регистрации периода вращения вала отбора мощности, причем каналы включают усилители-ограничители, дифференцирующие цепи, амплитудные детекторы, индукционные датчики и P-триггеры, решающие блоки для определения разности скоростей вращения валов двигателя и отбора мощности, а также решающие блоки для выработки управляющего воздействия, включающие электронные ключи, генератор импульсов, ждущий мультивибратор, интегрирующие цепи, логические элементы НЕ, нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты, установленные на педали сцепления, индукционный исполнительный механизм, при этом два индукционных датчика первого канала установлены над индукционной меткой на валу двигателя до муфты сцепления, а два индукционных датчика второго канала расположены над меткой на валу отбора мощности после муфты сцепления, выходы всех индукционных датчиков соединены с входами усилителей-ограничителей, выходы которых соединены с входами дифференцирующих цепей, а выходы дифференцирующих цепей соединены с входами амплитудных детекторов, выход первого амплитудного детектора каждого из каналов соединен с входом "Сброс", а второго с входом "Установка" P-триггеров, прямой выход первого P-триггера соединен через первый электронный ключ с первым входом балансного усилителя, а прямой выход второго P-триггера соединен через второй и первый электронные ключи с вторым входом балансного усилителя, выход которого подключен к индукционному исполнительному механизму, вход синхронизации генератора импульсов подключен к выходу второго амплитудного детектора первого канала, сигнальные импульсы генератора импульсов подключены к управляющему входу первого электронного ключа через последовательную цепь, включающую интегрирующую цепь, логический элемент НЕ и нормально замкнутые контакты на педали сцепления, к сигнальному входу второго электронного ключа, а управляющий вход второго электронного ключа соединен с входом второго амплитудного детектора второго канала через последовательно включенные ждущий мультивибратор, интегрирующую цепь и логический элемент НЕ.