ЭЛЕКТРОННО-МЕХАНИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДИЗЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F02D1/10 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а более конкретно - к регуляторам частоты вращения дизелей.

Известны автоматические центробежные регуляторы частоты вращения дизелей, содержащие корпус, приводной вал, державку грузов, центробежные грузы, шарнирно установленные в державке, муфту, установленную с возможностью перемещения вдоль оси приводного вала и взаимодействия с центробежными грузами, рейку топливного насоса, рычаг муфты, кинематически связанный с муфтой и с рейкой топливного насоса, рычаг регулятора, шарнирно установленный в корпусе с возможностью взаимодействия с ним через регулировочный винт, рычаг управления, кинематически связанный с педалью акселератора и поворотно установленный в корпусе с возможностью взаимодействия через пружину с рычагом регулятора [1,2,3].

Такие регуляторы автоматически обеспечивают поддержание скоростного и нагрузочного режима во всем рабочем диапазоне частот вращения и крутящего момента дизеля и реверсивное корректирование внешней скоростной характеристики крутящего момента.

Известны также электронно-механические регуляторы дизелей [4, 5, 6].

Такие регуляторы обеспечивают автоматическое поддержание частоты и нагрузки во всем рабочем диапазоне. Однако настройка необходимой формы внешней скоростной характеристики крутящего момента вызывает значительные сложности. Сами по себе механизмы прямого и обратного корректоров, корректора по наддуву также существенно усложняют конструкцию регулятора. Дальнейшие требования, связанные с учетом вязкости топлива, температуры воздуха и двигателя и др., еще больше усложняет механизм регулятора.

Техническое исполнение заявляемого регулятора частоты вращения наиболее близко к конструкции регулятора частоты вращения дизеля, описываемого в авторском свидетельстве СССР N 1033783 [1].

Регулятор содержит корпус, приводной вал, две рейки топливного насоса, державку, установленную на валу, центробежные грузы, шарнирно установленные в державке, муфту центробежных грузов, установленной с возможностью осевого перемещения вдоль оси приводного вала, рычаг муфты, поворотною установленный в корпусе кинематически связанный с муфтой и первой рейкой топливного насоса, рычаг регулятора, шарнирно установленный в корпусе с возможностью взаимодействия с ним через регулировочный винт, рычаг управления, поворотно установленный в корпусе и связанный с главным рычагом регулятора через главную пружину, двуплечий рычаг реек, кинематически связанный с обеими рейками топливного насоса, промежуточный двуплечий рычаг, шарнирно установленный на рычаге муфты с возможностью взаимодействия с ней и с первой рейкой топливного насоса, прямой корректор, установленный на рычаг регулятора с возможностью взаимодействия с рычагом муфты, обратный корректор, установленный в рычаге муфты с возможностью взаимодействия с промежуточным двуплечим рычагом, рычаг управления через стартовую пружину соединен с двуплечим рычагом реек.

Недостаток конструкции состоит в том, что невозможно обеспечить заранее точную регулировку протекания внешней скоростной характеристики, поднастройки неудобны и сложны. Кроме того, регулятор не обеспечивает регулирования топлива в соответствии с давлением наддува, температурой воздуха и топлива.

Целью изобретения является повышение топливной экономичности транспортных дизелей и уменьшение вредных выбросов в атмосферу путем повышения точности настройки внешней скоростной характеристики крутящего момента в зависимости от частоты вращения, температуры и давления наддувочного воздуха, вязкости топлива, а также за счет выбора регуляторных характеристик, наиболее подходящих для данного транспортного средства и более всего соответствующих режиму движения.

Указанная цель достигается тем, что регулятор оснащен пропорциональным электромагнитом, установленным с возможностью взаимодействия с одной из реек топливного насоса, пружиной, подпружинивающей одну из реек топливного насоса, датчиком положения рейки, установленным в корпусе, датчиком частоты вращения коленчатого вала дизеля. Причем в механической части регулятора отсутствует прямой и обратный корректоры, стартовая пружина и промежуточный двуплечий рычаг.

Сопоставительный анализ регулятора с другими конструкциями электронно-механических и центробежных регуляторов позволяет сделать вывод о том, что в них не применялось пропорционального магнита для обеспечения настройки и корректировки внешней характеристики, не применялось конструкции регулятора, который бы по желанию водителя перестраивался целиком на электронное управление подачей топлива при сохранении механической части в качестве аварийной, на случай "отказа" электроники.

На фиг. 1 представлена кинематическая схема регулятора; на фиг. 2 - блок-схема электронной части; на фиг. 3 - статическая характеристика регулятора (H - координата рейки; n - частота вращения).

Регулятор состоит из следующих элементов. Приводной вал 1 с установленной на нем державкой 2 передает крутящий момент центробежным грузам 3, шарнирно установленным в державке 2 с возможностью взаимодействия с муфтой 4, установленной на приводном валу 1 с возможностью перемещения вдоль него, причем муфта 4 шарнирно соединена с рычагом 5 муфты, поворотно установленном в корпусе с возможностью взаимодействия с первой рейкой 6. Рычаг регулятора 7 поворотно установлен в корпусе с возможностью взаимодействия с ним через регулировочный винт 8 и с возможностью взаимодействия с рычагом 5 муфты через винт 9 регулировки стартовой подачи. Рычаг 10 управления, поворотно установленный в корпусе, соединен пружиной 11 с рычагом 7 регулятора. Первая рейка 6 через двуплечий рычаг реек 12, поворотно установленный в корпусе, связана со второй рейкой 13. В корпусе регулятора установлен пропорциональный электромагнит 14 с возможностью взаимодействия через якорь 15 со второй рейкой 13. Стартовая пружина 16 установлена с возможностью взаимодействия с первой рейкой 6 через шток 17. Поворот рычага 10 управления в сторону, соответствующую увеличению подачи, ограничен упором 18, а в сторону уменьшения подачи - упором 19.

Кроме того, регулятор оснащен датчиком 20 рейки (см. фиг. 2), датчиком 21 частоты вращения дизеля, датчиком 22 положения педали акселератора 23, соединенной с рычагом управления 10 тягой 24 с возможностью отсоединения от него по желанию водителя, датчиком температуры 25 и давления 26 наддувочного воздуха и датчиком 27 температуры топлива. Электрические сигналы от датчиков передаются в электронный блок управления (ЭБУ) 28. ЭБУ 28 анализирует полученные сигналы и в соответствии с заданным алгоритмом выдает управляющий сигнал на электромагнит 14.

Регулятор работает по следующим трем вариантам.

Первый вариант: с помощью части регулятора, а именно ЭБУ 28, электромагнита 14 и датчиков 20,21,25,26,27, формируется внешняя скоростная характеристика а-б-в-г-д-е (фиг. 3). Регуляторные характеристики при разных положениях рычага 10 управления (Yl, Y2,.,Y_max) осуществляются механической частью, в которой роль датчика частоты вращения дизеля и источника энергии для привода реек 6 и 13 исполняют центробежные грузы 3. В этом случае педаль акселератора 23 соединена с рычагом управления 10 тягой 24.

Пусть рычаг управления 10 повернут против часовой стрелки до упора 18, пружина 11 имеет максимальный преднатяг. Во время пуска дизеля якорь 15 электромагнита занимает крайнее правое положение, и рейки 6 и 13 с помощью пружины 16 занимают положение, соответствующее пусковой подаче H₁. Приводной вал 1 начинает вращаться, и центробежная сила, возникающая от грузов 3, при этом передается через муфту 4 на рычаг 5, который, поворачиваясь по часовой стрелке, перемещает рейку 6 вправо, сжимая пружину 16. Рычаг 5 останавливается при соприкосновении с винтом 9 регулировки стартовой подачи. Формируется участок характеристики к-м, а координата рейки 6 уменьшается с H₁ до H₂. Координата рейки H₂ соответствует максимальной величине крутящего момента. Настройка его осуществляется с помощью регулировочного винта 8. В памяти микропроцессора, являющего составной частью ЭБУ 28, хранится характеристика, соответствующая координате рейки H в зависимости от частоты вращения n H = f(n), т. е. а-б-в-г-д-е. В зависимости от частоты вращения, регистрируемой датчиком 21, электронный блок управления 28 изменяет электроток, протекающий через катушку электромагнита 14, тем самым увеличивая или уменьшая усилие на якоре 15, от которого зависит величина сжатия пружины 16. В результате, в то время как рычаг 5 муфты прижат центробежной силой грузов 3 к винту 9, а рычаг 7 регулятора при помощи пружины 11 прижат через регулировочный винт 8 к корпусу, поскольку усилие грузов 3 меньше усилия предварительного натяжения пружины 11, с помощью электромагнита 14 можно перемещать рейки 6 и 13 в сторону, не превышающую по координате рейки Н₂. При частоте вращения n_e величина центробежной силы грузов 3 становится равной величине предварительного натяжения пружины 11, и при увеличении частоты вращения сверх n_e пружина 11 растягивается, рычаги 5 и 7 поворачиваются по часовой стрелке и выдвигают рейки 6 и 13 на уменьшение подачи топлива, формируя таким образом характеристику е-ж. При этом часть времени, соответствующую мнимой характеристике и-е, механический регулятор работает вхолостую до тех пор, пока рычаг 5 не соприкоснется снова с плечом рейки 6. Формирование участка характеристики е-ж сопровождается сжатием пружины 16 и образованием, а затем и увеличением зазора ΔH. Если координата рычага управления соответствует YI, то формирование регуляторной характеристики осуществляется также. При частотах вращения n_в-n_г рычаг 5 соприкасается с рейкой 6, и формирование регуляторных характеристик осуществляется непосредственно.

Электронный блок управления 28, получая через датчики 25, 26 и 27 информацию о температуре и давлении наддува и температуре топлива, осуществляет корректировку внешней характеристики в соответствии с заданными алгоритмами.

Вариант второй. В случае поломки электронного регулятора обмотка электромагнита 14 обесточивается и предлагаемый электронно-механический регулятор продолжает работать как механический только без корректировки внешней характеристики. Рекомендуется для работы в режиме "хромания домой".

Вариант третий. Формирование и внешней, и регуляторных характеристик осуществляется электронным блоком управления 28 посредством электромагнита 14. Рычаг управления 10 с помощью регулируемого упора 19 прижат к упору 18, что соответствует максимальной частоте вращения. Тяга 24, соединяющая педаль 23 акселератора и рычаг 10 управления, отсоединена.

Если для первого варианта необходимый ход якоря 15 составляет величину от H₂ до H₄, то для третьего варианта величина электромагнитного регулирования составляет весь диапазон, т.е. ход якоря 15 по координате рейки должен составлять от H₁ до H₅.

Формирование регуляторных характеристик осуществляется в зависимости от положения Y педали 23 акселератора, определяемого датчиком 22 положения педали акселератора. Причем, если форма регуляторной характеристики по первому варианту зависит только от жесткости пружины, то форма регуляторной характеристики по третьему варианту зависит от алгоритма, занесенного в память микроконтроллера ЭБУ 28. Практически она может быть любой как угодно близко приведенной к теоретически необходимой. Например, по желанию водителя при помощи ЭБУ 28 регуляторная характеристика может принимать вид, наиболее приспособленный к городским условиям движения, горным, магистральный, карьерный, к условиям движения по бездорожью и т.д.

Механический регулятор работает только в аварийном режиме в случае поломки электронного, ограничивая увеличение частоты вращения, чтобы дизель "не ушел в разнос".

Предлагаемый регулятор позволяет с большой точностью формировать протекание внешней скоростной характеристики, настраивать необходимую величину вредных выбросов на минимальных оборотах, позволяет осуществить любые регуляторные характеристики, наиболее подходящие транспортному средству, на который устанавливается дизель, и режиму движения с целью экономии топлива.

Иcточники информации
1. А. С. 1033783 (СССР). Центробежный регулятор частоты вращения двигателя внутреннего сгорания /П. Р. Козин, Л. М. Малышев. 1983, Бюл. N 29 (прототип).

2. А. с. 1204763 (СССР). Трехрежимный центробежный регулятор частоты вращения двигателя внутреннего сгорания /Е.И. Блаженнов, Ю.Е. Хрящев, Г.С. Корнилов, А.В. Чистяков /Открытия. Изобретения. 1986, N 2, с.132.

3. А.с. 966264 (СССР). Всережимный регулятор дизеля с турбонаддувом /В. И. Крутов, В. А. Горшков, И.В. Леонов, В.И. Шатров /Открытия. Изобретения. 1982, N 38.

4. Заявка 4221685 ФРГ Электронно-механический регулятор.

5. Пат. 5036815 (США). Механический регулятор топливного насоса с электронным регулированием крутящего момента.

6. Пат. 4683854 (США). Электронная и механическая топливоподающая система.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Электронно-механический регулятор частоты вращения дизеля содержит корпус, приводной вал, две рейки топливного насоса, державку грузов, центробежные грузы, шарнирно установленные в державке, муфту центробежных грузов, установленную с возможностью перемещения вдоль оси приводного вала, рычаг муфты, поворотно установленный в корпусе и кинематически связанный с муфтой и первой рейкой топливного насоса. Рычаг регулятора шарнирно установлен в корпусе с возможностью взаимодействия с ним через регулировочный винт. Рычаг управления поворотно установлен в корпусе с возможностью взаимодействия через пружину с рычагом регулятора. Двуплечий рычаг реек кинематически связан с обеими рейками топливного насоса. Регулятор оснащен пропорциональным электромагнитом, установленным с возможностью взаимодействия с одной из реек топливного насоса, датчиком положения рейки, жестко установленным в корпусе, датчиком частоты вращения коленчатого вала дизеля и электронным блоком управления. Технический результат заключается в повышении топливной экономичности и уменьшении вредных выбросов в атмосферу. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электронно-механический регулятор частоты вращения дизеля, содержащий корпус, приводной вал, две рейки топливного насоса, державку грузов, центробежные грузы, шарнирно установленные в державке, муфту центробежных грузов, установленную с возможностью перемещения вдоль оси приводного вала, рычаг муфты, поворотно установленный в корпусе и кинематически связанный с муфтой и первой рейкой топливного насоса, рычаг регулятора, шарнирно установленный в корпусе с возможностью взаимодействия с ним через регулировочный винт, рычаг управления, поворотно установленный в корпусе с возможностью взаимодействия через пружину с рычагом регулятора, двуплечий рычаг реек, кинематически связанный с обеими рейками топливного насоса, отличающийся тем, что регулятор оснащен пропорциональным электромагнитом, установленным с возможностью взаимодействия с одной из реек топливного насоса, датчиком положения рейки, жестко установленным в корпусе, датчиком частоты вращения коленчатого вала дизеля и электронным блоком управления. 2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что рычаг управления кинематически связан с педалью акселератора. 3. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что педаль акселератора кинематически не связана с рычагом управления, а регулятор дополнительно оснащен датчиками педали управления, давления воздуха, температуры воздуха, температуры топлива.