СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ОТКЛЮЧАЕМЫМИ ЦИЛИНДРАМИ Российский патент 1999 года по МПК F02D17/02 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к системам управления и регулирования двигателей внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами.

Известна система отключения цилиндров двигателя внутреннего сгорания, содержащая группы отключаемых цилиндров, выпускные трубопроводы с дроссельными заслонками и синхронизирующим механизмом, регулятор частоты вращения, диафрагменный механизм (SU, авторское свидетельство N 1116200, кл. F 02 D, 1984 г.).

Известная система не обеспечивает синхронного отключения цилиндров по газообмену и топливоподаче в зависимости от режима работы двигателя.

Известна система управления двигателем внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами, принятая за прототип, содержащая газораспределительные клапаны и топливные насосы с приводами, включающими гидравлические механизмы отключения, соответственно, газообмена и топливоподачи, распределительное устройство, источник давления жидкости, управляющие, напорную и сливные магистрали, источник электрического питания, первый и второй выключатели, многопозиционный переключатель, следящее устройство, реле давления рабочей жидкости, сигнальное устройство, блок задержки, причем перечисленные элементы системы выполнены: механизмы отключения газообмена - в виде подпружиненных телескопических гидроцилиндров, механизмы отключения топливоподачи - в виде управляемых стравливающих клапанов, распределительное устройство - в виде двух электрогидравлических вентилей с подвижными штоками, следящее устройство - в виде датчика перемещений, блок задержки - в виде электрического реле времени, сигнальное устройство - в виде электрической лампочки, распределительное устройство связывает механизмы отключения газораспределительных клапанов и топливоподачи с источником давления рабочей жидкости и со сливом, первый и второй электрогидравлические вентили связывают управляющие магистрали с источником давления рабочей жидкости и со сливом, реле давления запитано от управляющей магистрали второго вентиля, датчик перемещений соединен с подвижным штоком первого вентиля, к источнику электрического питания через многопозиционный переключатель подключены: через второй выключатель: реле времени, через нормально замкнутые контакты реле времени и, параллельно, через нормально замкнутые контакты датчики перемещений - второй вентиль, а, дополнительно, через первый выключатель и нормально замкнутые контакты реле давления - первый вентиль, причем в положении выключателей "включено" контакты первого выключателя замкнуты, а второго разомкнуты, сигнальное устройство подключено к первому вентилю, и выключатели сблокированы между собой тягой (RU, патент N 2062341, кл. F 02 D 17/02, 1993).

Недостатком известной системы является отсутствие защиты двигателя от попадания топлива в цилиндры при прекращении в них газообмена в случаях:
- разгерметизации гидросистемы привода газораспределительного клапана на режиме со всеми работающими цилиндрами, которая может наступить при разрушении управляющей магистрали, либо при отсутствии питания от источника рабочей жидкости (клапаны газораспределения остановлены в закрытом положении при продолжающем поступать в цилиндры топливе);
- нарушения в работе привода топливного насоса (заедание рейки привода топливного насоса, либо элементов механизма отключения топливоподачи, когда на режиме с отключенными цилиндрами при невыключенной топливоподаче клапаны газораспределения остановлены в закрытом положении;
- перевода работы двигателя из режима с включенными на режим с выключенными цилиндрами, когда не обеспечивается запаздывание отключения газораспределительных клапанов относительно отключения топливоподачи.

Поступление в цилиндры топлива при отсутствии газообмена приводит к попаданию топлива в масло - "осоляриванию" масла и может привести к гидроудару поршня о крышку цилиндра.

Кроме того, поступление топлива в цилиндры при частично отключенном газообмене (работают только выпускные газораспределительные клапаны, например, SU, патент N 1828510, кл. F 02 D 17/02, 1993 г.) приводит к частичному выгоранию топлива при недостатке кислорода (воздуха) и повышенному нагарообразованию, которое, в свою очередь, при включении всех цилиндров в работу из-за попадания частиц нагара на фаски клапанов вызывает их неплотное закрытие, образование свищей и, как следствие, к прогару газораспределительных клапанов.

Техническим результатом изобретения является обеспечение защиты двигателя от попадания топлива в цилиндры при прекращении в них газообмена в случаях:
- разгерметизации гидросистемы привода газораспределительных клапанов на режиме со всеми работающими цилиндрами при разрушении управляющей магистрали либо при отсутствии питания от источника рабочей жидкости;
- нарушения в работе привода топливного насоса на режиме с отключенными цилиндрами;
- перевода работы двигателя из режима с включенными на режим с выключенными цилиндрами и обратно;
- отсутствия электрического питания;
- случайного выключения цилиндров на режимах повышенных нагрузок.

Указанный технический результат достигается тем, что система управления двигателем внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами, содержащая газораспределительные клапаны, гидравлические механизмы отключения газообмена в виде подпружиненных телескопических гидроцилиндров, топливные насосы высокого давления с приводом, включающим механизм отключения топливоподачи, источник давления рабочей жидкости, управляющую магистраль, распределитель гидравлики, связывающий гидравлические механизмы отключения газообмена через управляющую магистраль с источником давления рабочей жидкости и со сливной магистралью, первое следящее устройство в виде датчика перемещений, второе следящее устройство в виде реле давления рабочей жидкости, подсоединенное к управляющей магистрали, блок задержки, в виде электрического реле времени, первый и второй выключатели, сблокированные между собой тягой, источник электрического питания, к которому через многопозиционный переключатель и первый выключатель подключен распределитель гидравлики, сигнальное устройство в виде электрической лампочки, включенное параллельно распределителю гидравлики, дополнительно снабжена источником сжатого воздуха, дросселем, воздушной и стравливающей магистралями и распределителем пневматики, выполненным в виде электропневматического вентиля, связывающего механизм отключения топливоподачи через воздушную магистраль с источником сжатого воздуха и со стравливающей магистралью, механизм отключения топливоподачи выполнен в виде пневмоцилиндра, распределитель гидравлики выполнен в виде одного электрогидравлического вентиля, первое следящее устройство соединено с приводом топливного насоса высокого давления, дроссель установлен в стравливающей магистрали, распределитель гидравлики подключен к источнику электрического питания через блок задержки, нормально разомкнутые контакты первого следящего устройства, первый выключатель и многопозиционный переключатель, а распределитель пневматики подключен к источнику электрического питания через второй выключатель, многопозиционный переключатель и, параллельно, через нормально разомкнутые контакты второго следящего устройства.

На чертеже представлена схема системы управления двигателем внутреннего сгорания на примере работы одного отключаемого цилиндра.

Система содержит газораспределительный кулачок 1, который через гидравлический механизм отключения газообмена 2, например подпружиненный телескопический гидроцилиндр, может взаимодействовать с подпружиненным газораспределительным клапаном 3.

Гидравлический механизм отключения газообмена 2 управляющей магистралью 4 связан через распределитель гидравлики 5, например, электрогидравлический вентиль, с источником давления 6 рабочей жидкости и со сливной магистралью 7.

Механизм отключения топливоподачи 8, например пневмоцилиндр, и всережимный регулятор 9 соединены с приводом 10 топливного насоса высокого давления 11, имеющего рейку 12. Топливный насос 11 может взаимодействовать с топливным кулачком 13 и связан с форсункой 14.

Механизм отключения топливоподачи 8 воздушной магистралью 15 связан через распределитель пневматики 16, например, электропневматический вентиль, с источником сжатого воздуха 17 и со стравливающей магистралью 18, в которой установлен дроссель 19.

Первое следящее устройство 20, например датчик перемещений, соединен с приводом 10 топливного насоса 11, а второе следящее устройство 21, например реле давления рабочей жидкости, сообщено с управляющей магистралью 4.

К источнику электрического питания 22 через многопозиционный переключатель 23 с подвижным контактом 24 подключены: распределитель гидравлики 5 через блок задержки 25, например электрическое реле времени, нормально разомкнутые контакты первого следящего устройства 20 и первый выключатель 26; распределитель пневматики 16 через второй выключатель 27 и, параллельно, через нормально разомкнутые контакты второго следящего устройства 21.

Сигнальное устройство 28, например электрическая лампочка, подключена параллельно распределителю гидравлики 5, а выключатели 26 и 27 сблокированы между собой тягой 29.

В качестве многопозиционного переключателя 23 может быть использован контроллер машиниста тепловоза, причем контакты I-II соответствуют позициям контроллера на режимах холостого хода и малых нагрузок, где целесообразно отключение заданных цилиндров двигателя (на схеме не показан), а контакты III-V соответствуют позициям контроллера на режимах, где отключение цилиндров двигателя не эффективно либо недопустимо.

Источником электрического питания 22 служит сеть установки, например тепловоза, а источником сжатого воздуха 17 - система его воздухоснабжения.

В качестве дросселя 19 может быть соответствующий подбор сечений участков воздушных магистралей.

В качестве рабочей жидкости может быть использовано масло двигателя. Источником давления 6 рабочей жидкости может служить масляный насос двигателя.

Стрелками на схеме показано направление движения жидкостей и воздуха.

Система работает следующим образом.

В исходном состоянии, изображенном на схеме и соответствующем работе двигателя со всеми включенными цилиндрами, подвижный контакт 24 переключателя 23 замкнут с одним из контактов III-V, а первый 26 и второй 27 выключатели разомкнуты.

Воздух от источника 17 при нижнем (показанном на схеме) положении распределителя пневматики 16 в систему не поступает, направляющая магистраль 15 сообщена со стравливающей магистралью 18, механизм отключения топливоподачи 8 (без воздействия сжатого воздуха) не ограничивает в перемещении привод 10 топливного насоса 11 и привод 10 находится под воздействием всережимного регулятора 9 в положении, соответствующем величине подачи топлива для данного режима работы двигателя. При вращении топливного кулачка 13 насос 11 подает топливо через форсунку 14 в цилиндр (на схеме не показан) двигателя, контакты первого следящего устройства 20 находятся в разомкнутом состоянии.

Рабочая жидкость (масло) от источника 6 через распределитель гидравлики 5 поступает по управляющей магистрали 4 к механизму отключения газообмена 2, разжимает его телескопические части и обеспечивает передачу возвратно- поступательного движения от вращающегося газораспределительного кулачка 1 через механизм 2 к газораспределительному клапану 3, осуществляя тем самым, газообмен в цилиндре.

Одновременно, давление рабочей жидкости из управляющей магистрали 4 удерживает контакты второго следящего устройства 21 в разомкнутом состоянии.

Распределители 5 и 16 от источника электрического питания 22 не запитаны, таким образом, двигатель работает с цилиндром, включенным как по топливоподаче, так и по газообмену.

На сигнальное устройство 28 (лампочку) электрическое питание от источника 22 не поступает, и она не горит.

Изменение положения контакта 24 переключателя 23 (замыкание его с контактами I-V) изменяет режим работы двигателя (его мощность), но не изменяет режима со всеми включенными цилиндрами.

При переводе переключателя 23 в режим работы двигателя с отключением части цилиндров, подвижный клапан 24 замыкается с одним из контактов I-II, а выключатели 26 и 27 переводятся в замкнутое положение.

Электрическое питание от источника 22 через многопозиционный переключатель 23 и второй выключатель 27 подается на распределитель пневматики 16 и переводит его в верхнее (по схеме) положение. При этом воздух от источника 17 подается через распределитель 16 по воздушной магистрали 15 к механизму отключения топливоподачи 8, который переводит привод 10 с рейкой 12 топливного насоса 11 в положение нулевой подачи топлива (нижнее), т.е. при вращении топливного кулачка 13 топливо от насоса 11 к форсунке 14 не поступает - цилиндр двигателя отключен по топливоподаче.

Одновременно привод 10, воздействуя на первое следящее устройство 20, замыкает его контакты, электрическое питание от источника 22 через многопозиционный переключатель 23, первый выключатель 26, замкнутые контакты первого следящего устройства 20 и блок задержки 25 поступает к распределителю гидравлики 5 и переводит его в верхнее (по схеме) положение.

Масло от источника давления 6 в систему не поступает, управляющая магистраль 4 сообщается со сливной магистралью 7, механизм отключения газообмена 2 опоражнивается и при вращении гидрораспределительного кулачка 1 передачи возвратно-поступательного движения к газораспределительному клапану 3 не происходит.

При отсутствии давления масла в управляющей магистрали 4 замыкаются контакты второго следящего устройства 21.

Блок задержки 25 создает задержку подачи электрического питания от источника 22 к распределителю гидравлики 5 на заданное время, обеспечивая полное (гарантированное) выключение цилиндров по топливоподаче перед их отключением по газообмену.

Таким образом, распределители 5 и 16 запитаны от источника электрического питания 22, а цилиндр двигателя отключен как по топливоподаче, так и, с задержкой по времени, по газообмену.

Одновременно с включением распределителя гидравлики 5 электрическое питание от источника 22 поступает на сигнальное устройство 28, лампочка загорается, тем самым информируя о полном отключении цилиндров как по топливоподаче, так и по газообмену.

При том же режиме работы двигателя с отключенными цилиндрами в случае нарушений в работе привода 10 насоса 11, например заедания рейки 12 или элементов механизма отключения топливоподачи 8, и также в случае отсутствия подачи воздуха от источника 17 привод 10 не доходит до положения нулевой подачи топлива (нижнего), от топливного насоса 11 через форсунку 14 топливо продолжает поступать в цилиндр, контакты первого следящего устройства 20 остаются в разомкнутом положении, электрическое питание от источника 22 к распределителю гидравлики 5 не поступает, он находится в нижнем положении, масло поступает от источника 6 через первый распределитель 5 по управляющей магистрали 4 к механизму отключения газообмена 2, газораспределительный клапан 3 при вращении кулачка 1 совершает возвратно-поступательное движение-цилиндр двигателя по газообмену не отключается.

Таким образом первое следящее устройство 20 обеспечивает защиту двигателя в случае нарушений в работе привода 10, разгерметизации пневмосистемы привода топливного насоса 11 либо при отсутствии подачи сжатого воздуха от источника 17.

При включении цилиндров в работу (возврат в исходное состояние, изображенное на схеме) подвижный контакт 24 переключателя 23 замыкается с контактами III-V, выключатели 26 и 27 переводятся в разомкнутое состояние, электрическое питание (при замкнутых контактах первого следящего устройства 20 и разомкнутом выключателе 26) к распределителю гидравлики 5 не поступает, распределитель 5 перемещается в нижнее положение, масло от источника 6 через распределитель 5 и магистраль 4 поступает к механизму 2 - газораспределительный клапан 3 включился в работу.

Одновременно давление масла воздействует на второе следящее устройство 21, размыкает его контакты, прекращается подача электрического питания к распределителю пневматики 16, он перемещается в нижнее положение, подача воздуха в систему от источника 17 прекращается, а из механизма отключения топливоподачи 8 по магистралям 15 и 18, минуя дроссель 19, воздух стравливается из системы, механизм 8 освобождает привод 10, топливо начинает поступать в цилиндры - цилиндр двигателя включен по топливоподаче и газообмену. Контакты первого следящего устройства 20 размыкаются - система приведена в исходное состояние.

Дроссель 19 замедляет стравливание воздуха из механизма отключения топливоподачи 8, а следовательно, и освобождение привода 10, чем обеспечивается запаздывание включения топливоподачи относительно включения газообмена, необходимое для полного заполнения маслом внутренней полости механизма отключения газообмена 2.

Таким образом осуществляется защита двигателя при включении цилиндров в работу от попадания топлива в цилиндры при закрытых либо не полностью открывающихся газораспределительных клапанах.

На режиме работы двигателя со всеми включенными цилиндрами, в случае нарушения в работе газораспределительного клапана 3, например разгерметизации управляющей магистрали 4 или механизма отключения газообмена 2, а также при отсутствии питания рабочей жидкости от источника 6, произойдет опоражнивание механизма 2 и остановка газораспределительного клапана 3.

При этом из-за потери давления в управляющей, магистрали 4 контакты второго следящего устройства 21 замкнутся и электрическое питание от источника 22 поступит к распределителю пневматики 16, переместит его в верхнее положение и откроет проход сжатого воздуха от источника 17 через распределитель 16 по воздушной магистрали 15 к механизму отключения топливоподачи 8, который переместит привод 10 и рейку 12 топливного насоса 11 в нижнее положение, соответствующее отключению подачи топлива.

Привод 10 замыкает контакты первого следящего устройства 20, но при разомкнутых контактах выключателей 26 и 27 это не оказывает влияния на работу системы.

Таким образом осуществляется защита двигателя от попадания в цилиндры топлива при отключенном (из-за нарушений в работе) газораспределительном клапане.

Отсутствие электрического питания от источника 22 (обесточивание системы) устанавливает распределители 5 и 16 в нижних положениях, чем обеспечивает работу двигателя со всеми включенными цилиндрами и исключает их перегружение при обесточивании системы.

Ошибочный (случайный) перевод выключателей 26 и 27 в положение замкнутых контактов (отключение цилиндра) при работе на режимах, когда отключение цилиндров не допустимо (контакт 24 замкнут с контактами III-V), не приведет к отключению цилиндра, т. к. электрическое питание на распределители 5 и 16 отсутствует.

Следует иметь ввиду, что значительное количество тепловозных дизелей в серийном исполнении (например, дизели типа Д49) уже оборудованы пневмосистемой отключения топливоподачи, а следовательно, модернизация двигателей по предлагаемому варианту путем объединения пневмосистемы отключения топливоподачи с гидросистемой отключения газообмена является более простым решением по сравнению с вариантом отключения цилиндров как по топливоподаче, так и по газообмену с помощью только гидросистем.

Таким образом, предлагаемая система управления обеспечивает:
- упрощение конструкции за счет применения пневматических устройств отключения топливоподачи;
- информацию об отключении цилиндров за счет применения сигнального устройства (электрической лампочки):
- защиту двигателя от перегрузок при случайном выключении цилиндров на режимах повышенных нагрузок за счет применения многопозиционного переключателя;
- защиту двигателя от попадания топлива в цилиндры при прекращении в них газообмена в случаях:
- разгерметизации гидросистемы привода газораспределительных клапанов либо при отсутствии питания от источника рабочей жидкости за счет установки второго следящего устройства - реле давления рабочей жидкости;
- нарушений в работе привода топливного насоса либо отсутствия поступления сжатого воздуха от источника за счет применения первого следящего устройства - датчика перемещений;
- выключения цилиндров за счет запаздывания выключения газообмена (распределителя гидравлики) относительно топливоподачи с помощью блока задержки - реле времени;
- включения цилиндров за счет запаздывания включения топливоподачи относительно газообмена с помощью дросселя.

Система разрабатывается применительно к тепловозным двигателям типа ЧН 26/26.

Изобретение относится к системам управления и регулирования двигателей внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами. Система содержит газораспределительные клапаны, гидравлические механизмы отключения газообмена в виде подпружиненных телескопических гидроцилиндров, топливные насосы высокого давления с приводом, включающим механизм отключения топливоподачи, источник давления рабочей жидкости, управляющую магистраль и распределитель гидравлики. Имеется источник сжатого воздуха, дроссель, воздушная и стравливающая магистрали и распределитель пневматики. Механизм отключения топливопоцачи выполнен в виде пневмоцилиндра, распределитель гидравлики выполнен в виде электрогидравлического вентиля. Первое следящее устройство соединено с приводом топливного насоса высокого давления, а дроссель установлен в стравливающей магистрали. Распределитель гидравлики подключен к источнику электрического питания через блок задержки. Техническим результатом изобретения является обеспечение защиты двигателя от попадания топлива в цилиндры при прекращении в них газообмена. 1 ил.

Система управления двигателем внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами, содержащая газораспределительные клапаны, гидравлические механизмы отключения газообмена в виде подпружиненных телескопических гидроцилиндров, топливные насосы высокого давления с приводом, включающим механизм отключения топливоподачи, источник давления рабочей жидкости, управляющую магистраль, распределитель гидравлики, связывающий гидравлические механизмы отключения газообмена через управляющую магистраль с источником давления рабочей жидкости и со сливной магистралью, первое следящее устройство в виде датчика перемещений, второе следящее устройство в виде реле давления рабочей жидкости, подсоединенное к управляющей магистрали, блок задержки, в виде электрического реле времени, первый и второй выключатели, сблокированные между собой тягой, источник электрического питания, к которому через многопозиционный переключатель и первый выключатель подключен распределитель гидравлики, сигнальное устройство в виде электрической лампочки, включенное параллельно распределителю гидравлики, отличающаяся тем, что система управления снабжена источником сжатого воздуха, дросселем, воздушной и стравливающей магистралями и распределителем пневматики, выполненным в виде электропневматического вентиля, связывающего механизм отключения топливоподачи через воздушную магистраль с источником сжатого воздуха и со стравливающей магистралью, механизм отключения топливоподачи выполнен в виде пневмоцилиндра, распределитель гидравлики выполнен в виде одного электрогидравлического вентиля, первое следящее устройство соединено с приводом топливного насоса высокого давления, дроссель установлен в стравливающей магистрали, распределитель гидравлики подключен к источнику электрического питания через блок задержки, нормально разомкнутые контакты первого следящего устройства, первый выключатель и многопозиционный переключатель, а распределитель пневматики подключен к источнику электрического питания через второй выключатель, многопозиционный переключатель и параллельно через нормально разомкнутые контакты второго следящего устройства.