МОДУЛЬ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ДРОССЕЛЬНОЙ ЗАСЛОНКОЙ КАРБЮРАТОРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F02D11/06 G05G1/14 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к устройствам для управления и регулирования положением дроссельной заслонки карбюратора двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в которых использовано управляющее воздействие педали акселератора.

Известны устройства дистанционного управления дроссельной заслонкой, регулирующие наполнение в двигателе внутреннего сгорания, содержащие блок управления, электрически подключенный к датчикам положения педали и дроссельной заслонкой (1-7).

Таков модуль дистанционного управления (7), воспринимающий угловое положение педали акселератора, включающий электронную систему управления заслонкой и потенциометрический датчик положения педали, снабженный дублирующим дополнительным датчиком, исключающим отказ системы при неисправности первого потенциометра.

Известно устройство регулирования наполнения в двигателе внутреннего сгорания (8), взятое в качестве прототипа к предлагаемому. Устройство содержит смонтированные в корпусе электрическую схему, подключающую электронный блок управления к датчикам положения педали акселератора и дроссельной заслонки и исполнительным механизмом. Блок управления включает в себя формирователи сигналов управляющего воздействия на педали акселератора, фактического положения дроссельной заслонки, аналого-цифровые преобразователи, цифровые компараторы, логические элементы, блоки памяти, сумматоры, счетчики импульсов, цифровой фильтр, регуляторы, усилители и мультиплексоры. Датчик положения педали акселератора выполнен в виде потенциометра, связанного с валом педали акселератора и измеряющего величину поворота этого вала от перемещения педали, на которую импульсно воздействует водитель. Посредством датчика положения педали производятся управляющие сигналы, пропорциональные угловому положению оси педали, а именно, осуществляется управление мощностью двигателя, задаваемой водителем перемещением педали в период начальных условий, при ускорении, установившемся движении и конечной скорости.

В известных устройствах дистанционного управления дроссельной заслонкой потенциометрический датчик имеет подложку с резистивными или коллекторными дорожками и один или несколько вращаемых или сдвигаемых ползунков. Для улучшения скольжения на подложку помимо традиционных металлических дорожек может быть нанесена дополнительная плоскость скольжения, имеющая такой же рабочий ход, образованная напылением, впрессованная или нанесенная печатью, которая взаимодействует как минимум с одним ползунком, выполняя одновременно опорные функции. Такие потенциометрические датчики, чувствительные к изменению углового положения оси педали, обеспечивают за счет улучшенного скольжения ползунка требуемые характеристики модуля управления при использовании его с электронной системой управления ДВС автомобиля, являясь установочным звеном для электронной "педали газа".

Однако в процессе эксплуатации механическое взаимодействие между элементами потенциометра, наличие трения при перемещении ползунка снижает ресурс датчика и соответственно надежность всего устройства вследствие изменения электрических характеристик потенциометра, что увеличивает энергопотребление привода, не исключен его отказ и возникновение аварийной ситуации.

Задачей изобретения являлось создание надежного и простого устройства дистанционного управления дроссельной заслонкой ДВС, гарантирующего требуемые эксплуатационные характеристики за счет устранения трущихся деталей, повышения чувствительности к управляющему воздействию углового положения оси педали акселератора, а также за счет обеспечения возможности регулировки формы управляющего сигнала.

Задача решается модулем дистанционного управления дроссельной заслонкой карбюратора ДВС, содержащим электрическую схему и связанные с ней посредством исполнительных элементов датчики поворота заслонки и углового положения оси педали акселератора, в котором, согласно предложению, датчик положения педали выполнен в виде оптоэлектронной системы, включающей излучатель управляющего сигнала и фотоприемник, и снабжен регулятором с переменным ослаблением светового потока, жестко укрепленным на оси и установленным между излучателем и фотоприемником системы, смонтированной неподвижно в корпусе модуля.

Регулятор датчика выполнен в виде секторной заслонки.

Целесообразно регулятор выполнять в виде пластины из прозрачного материала с переменной по площади оптической плотностью в направлении движения регулятора.

Возможно выполнение регулятора в виде пластины материала, снабженной по меньшей мере одним фигурным прозрачным участком, выполненным на ее рабочей периферии.

Пластина может быть снабжена периферийным перфорированным участком с прозрачными отверстиями.

Регулятор выполнен с переменным соотношением площадей непрозрачных участков и прозрачных отверстий в направлении движения.

Модуль снабжен формирователем управляющего излучаемого оптического сигнала.

Формирователь выполнен прямоугольной формы или в форме части кольца с центром на оси диафрагмы, установленной между излучателем и регулятором.

Формирователь может быть снабжен рассеивателем оптического сигнала, установленным перед диафрагмой.

Модуль снабжен стабилизатором сигнала, выполненным в виде дополнительного фотоприемника, включенного в схему управления излучателем, связанную с электрической схемой.

Выполнение датчика углового положения педали в виде оптоэлектронной системы, наличие жестко связанного с осью педали регулятора оптического сигнала, обеспечивающего за счет изменения оптических свойств участков прозрачных и непрозрачных или отражения, или поглощения, или рассеивания управляющего сигнала по заданному требуемому закону, гарантирует надежное управление положением дроссельной заслонкой.

Различное выполнение регулятора (в зависимости от характера связи между педалью и регулятором, позволяющей обеспечить движение последнего либо вращательное вокруг оси, либо линейное) создает переменные параметры регулятора (оптическая плотность, пропускание и т.д.), которые изменяются либо по углу сектора, либо вдоль одной из его сторон.

Установка формирователя управляющего излучаемого оптического сигнала позволяет упростить изготовление датчика положения педали, его регулировку, изготовление регулятора светового потока с требуемым законом изменения пропускания.

Рассеиватель обеспечивает повышение точности соответствия требуемому закону изменения сигнала управления заслонкой.

Установка в модуле дополнительного фотоприемника-стабилизатора обеспечивает стабилизацию работы датчика, в частности, устраняет влияние изменений параметров излучателя и фотоприемника оптоэлектронной системы при изменении внешних условий эксплуатации.

Заявителю не известны технические решения, содержащие совокупность предлагаемых признаков, характеризующих рассматриваемый модуль, обеспечивающих ему положительный эффект, заключающийся в обеспечении надежности управления и регулирования дроссельной заслонкой ДВС, что позволяет считать данное предложение соответствующим критериям "новизна" и "существенные отличия".

Предлагаемый модуль может быть реализован на известном оборудовании посредством известных средств производства с использованием известных элементов, что обеспечивает ему соответствие критерию "промышленная применимость".

Модуль дистанционного управления поясняется чертежами, где
на фиг.1 схематично показан его общий вид;
на фиг.2 - (в диметрии для наглядности) схема датчика углового положения педали акселератора с регулятором светового потока;
на фиг.3 - схема датчика положения педали со стабилизатором;
на фиг.4 - схема датчика положения педали с регулятором светового потока с угловой зависимостью ослабления (с перфорированным периферийным рабочим участком;
на фиг.5 - схема датчика положения педали с формирователем пучка;
на фиг.6 - схема работы датчика педали в виде оптоэлектронной системы;
на фиг. 7 - схема изменения положения регулятора при перемещении педали на угол α в плоскости перемещения регулятора (в полярной системе координат (r, ϕ) с центром, совпадающим с осью вращения регулятора);
на фиг. 8 - схема изменения управляющего сигнала регулятором в виде пластины из непрозрачного материала с фигурным прозрачным отверстием (частично перекрывающего световой сигнал);
на фиг.9 - график зависимости выходного сигнала от угла поворота педали (пример).

Модуль 1 дистанционного управления дроссельной заслонкой карбюратора двигателя внутреннего сгорания от педали 2 содержит размещенные в корпусе (не показан) датчик 3 углового положения оси педали 2 акселератора, датчик 4 поворота дроссельной заслонки (не обоз.) и связывающую их через исполнительные элементы электрическую схему 5. Датчик 3 положения педали выполнен в виде оптоэлектронной системы, включающей излучатель 6 управляющего сигнала, например, светодиод и фотоприемник 7. Датчик 3 положения педали снабжен поворотным регулятором 8 светового потока, жестко укрепленным на оси педали 2 и размещенным между излучателем 6 и фотоприемником 7. Модуль может быть снабжен формирователем 9 управляющего излучаемого оптического сигнала, выполненным в виде диафрагмы, например, прямоугольной или в форме части кольца с центром на оси педали, и установленной между излучателем 6 и регулятором 8. Датчик 3 целесообразно выполнить с рассеивателем 10 оптического сигнала, смонтированного перед диафрагмой и представляющего собой, например, молочное стекло. Для улучшения работы модуля он снабжен стабилизатором 11, выполненным в виде дополнительного фотоприемника, на который поступает часть излучения от излучателя 6, минуя регулятор 8 светового потока. Стабилизатор 11 включен в схему 12 управления излучателем 6, связанную с электрической схемой 5.

Регулятор 8 светового потока может быть установлен на оси 13 педали 2 с возможностью вращения вокруг нее или перемещения вместе с ней. Регулятор 8 может быть выполнен в нескольких вариантах с переменными параметрами (оптической плотностью, пропусканием, ослаблением и т.д.), которые будут изменяться либо по углу сектора, либо вдоль одной из его сторон. Ниже в качестве примеров исполнения приведены описания регулятора 8, установленного с возможностью вращения вокруг оси 13.

Регулятор 8 выполнен в виде секторной заслонки, представляющей собой пластину или из прозрачного материала с переменной по площади оптической плотностью в направлении движения регулятора, или в виде пластины из непрозрачного материала, имеющей по меньшей мере один фигурный прозрачный участок (отверстие), выполненный на ее рабочей периферии. Регулятор-пластина может быть снабжена рабочим перфорированным периферийным участком с прозрачными отверстиями. В зависимости от необходимого закона движения регулятора он может быть выполнен с переменным соотношением площадей непрозрачных участков и прозрачных отверстий в направлении движения (по траектории) регулятора.

Примером выполнения регулятора 8 из прозрачного материала может быть изготовление пластины:
- из стекла, с нанесенным на ней поглощающим металлическим слоем, толщина которого выбрана в зависимости от угла сектора:
- из нейтрального стекла, с толщиной, меняющейся по углу сектора, что обеспечивает создание частично поглощающего материала:
- из стекла, с нанесенными на ней (ее рабочем участке) непрозрачными элементами, например, круглой формы, размеры которых значительно меньше размера светового сигнала (пучка), причем плотность расположения отверстий может изменяться по заданному закону в зависимости от угла сектора пластины.

Вариантом исполнения регулятора из известного непрозрачного материала может быть: нанесение на пластину сетки или выполнение на ее рабочем участке перфорации, частично перекрывающей (непрозрачными участками) световой сигнал (пучок), степень перекрытия которого определяется законом зависимости радиуса, на котором выполнены отверстия, от угла сектора.

Модуль 1 работает следующим образом.

Излучение от излучателя 6 через регулятор 8 светового потока поступает на фотоприемник 7 и преобразуется им в электрический сигнал. Сигнал с фотоприемника 7 поступает на схему измерения 14 и далее на выход модуля для последующего управления дроссельной заслонкой. Работа датчика 3 положения педали поясняется схемами, представленными на фиг.6-8. При движении педали регулятор перемещается в плоскости А между излучателем 6 и фотоприемником 7, перекрывая сечение пучка S (попадающего на фотоприемник 7). Изменение положения регулятора при перемещении педали на угол α в плоскости А в полярной системе координат (r,ϕ) с центром, совпадающим с осью вращения регулятора (фиг. 7), обеспечивает формирование сигнала с фотоприемника U_ф, пропорционального мощности излучения W, поступающей на фотоприемник:
U_ф=k₁W, здесь k₁ - коэффициент преобразования фотоприемника.

В общем случае распределение интенсивности в плоскости А перемещения регулятора - I(r,ϕ), а пропускание светового потока регулятором в положении педали, повернутой на угол α-T(r,ϕ,α), тогда мощность излучения W, поступающего на фотоприемник, будет определяться зависимостью:

Для частного случая, когда излучатель имеет широкую диаграмму направленности излучения с шириной θ, а приемник имеет достаточно малую приемную площадку d и они расположены на расстоянии L друг от друга так, что d/L≪θ, интенсивность излучения в сечении S меняется, т.е. I(r,ϕ) = I₀. Этот случай может быть реализован, например, при использовании в качестве излучателя светодиода типа АЛ 107 и фотодиода типа ФД 256, расположенных на расстоянии более 5 мм.

Регулятор светового потока может быть изловлен с линейной зависимостью пропускания от угла ϕ (фиг.8):
T(r,ϕ) = T₀(ϕ₀+ϕ),
где ϕ₀- начальное положение регулятора, T₀ϕ₀- начальное пропускание.

Пропускание регулятора в сечении пучка S в положении педали, повернутой на угол α, будет
T = T₀(ϕ₀+ϕ+α),
где α - угол поворота педали и регулятора.

Это может быть реализовано изготовлением регулятора светового потока, описанного выше в примерах.

При таких условиях мощность излучения W, поступающего на фотоприемник, будет:
W = W₀+k₂+α,
здесь k₂=I₀S₀T₀; W₀= k₂ϕ₀; S₀ - площадь сечения пучка в плоскости А перемещения регулятора светового потока.

Сигнал управления дроссельной заслонкой U с выхода модуля изменяется по линейному закону от угла поворота педали α (фиг.9):
U = U₀+k₃α,
где U₀ - начальное значение сигнала, k₃ - коэффициент, значение которого определяется параметрами элементов модуля (коэффициенты преобразования фотоприемника и схемы измерения сигнала фотоприемника).

Работа датчика с регулятором, выполненным в виде пластины из непрозрачного материала с по меньшей мере одним фигурным отверстием, частично перекрывающим (пропускающим) световой поток по заданному закону, поясняется схемой, представленной на фиг.8.

В общем случае распределение интенсивности в плоскости перемещения регулятора - I(r,ϕ), форма его рабочего участка, обеспечивающего необходимые чувствительность и форму сигнала в плоскости его перемещения в полярных координатах (r,ϕ) с центром, совпадающим с осью вращения регулятора и педали управления - F(r,ϕ). При повороте педали управления на угол α (фиг.7) форма рабочего участка регулятора становится равной F(r,ϕ+α), тогда мощность излучения, поступающего на фотоприемник, определяется из соотношения:

где S - сечение пучка, попадающего на фотоприемник в плоскости перемещения регулятора, α - угол поворота педали и регулятора.

Для каждого примера изготовления датчика положения педали форма рабочего участка регулятора (в частности, форма и количество отверстий, а именно, соотношение площадей непрозрачных участков и прозрачных отверстий) F(r,ϕ) должна рассчитываться специально. Расчет и изготовление регулятора значительно упрощаются, если ввести формирователь 9 пучка. Требуемый закон изменения выходного сигнала U(α) может быть легко получен выбором конструкции формирователя и форм рабочего участка регулятора светового потока.

В частности, линейный закон изменения выходного сигнала от положения педали управления α выполняется при следующих условиях:
Излучатель с диаграммой направленности θ и фотоприемник с приемной площадкой d расположены на расстоянии L, таком, что d/L≪θ.
Формирователь может быть выполнен в виде диафрагмы в форме кольца с центром, совпадающим с центром вращения регулятора светового потока, и полностью размещен в сечении пучка S, падающего на фотоприемник, регулятор изготовлен из непрозрачной фигурной пластины в виде сектора, радиус рабочего участка которого изменяется по закону .

Или:
Формирователь может быть выполнен в виде прямоугольной диафрагмы, а радиус, на котором расположен рабочий участок регулятора, изменяется по закону r = aϕ (является отрезком кривой "спирали Архимеда").

При использовании произвольного излучателя (лазерный диод, лампа и т.п. ), чтобы исключить требования по отношению к диаграмме направленности излучателя, формирователь может включать в себя другие оптические элементы, в частности, рассеиватель, выполненный из молочного стекла, которое устанавливается перед диафрагмой непосредственно после излучателя.

При этих условиях изменение выходного сигнала U пропорционально угловому положению педали.

U = U₀+kα, где U₀ - начальное значение сигнала, k - коэффициент, значение которого зависит от параметров элементов датчика: коэффициента преобразования фотоприемника, коэффициента усиления схемы измерения сигнала, мощности излучателя, геометрических размеров формирователя и регулятора светового потока и определяется при изготовлении датчика.

При движении педали, регулятор светового потока перемещается между излучателем и фотоприемником, изменяя интенсивность излучения, поступающего на фотоприемник, что приводит к изменению выходного сигнала U.

Так как излучатель и фотоприемник смонтированы неподвижно в корпусе модуля, а перемещение регулятора соответствует перемещению педали, то зависимость изменения выходного сигнала модуля U(α) от перемещения педали α определяется законом изменения пропускания регулятора, поэтому можно получить требуемое изменение сигнала управления дроссельной заслонкой U(α) в зависимости от угла положения педали α (например, линейное, экспоненциальное и т.п. ).

При наличии в модуле стабилизатора - дополнительного фотоприемника 11, сигнал, поступающий на него от излучателя, приходит в схему 12 управления излучателем, где используется для стабилизации работы модуля, преимущественно для устранения влияния изменений параметров элементов датчика при изменении внешних условий.

Опытный образец модуля дистанционного управления для использования с электронной схемой регулирования ДВС был изготовлен на предприятии-заявителе и прошел стендовые испытания, подтвердившие повышение его надежности по сравнению с модулем, выполненным на основе потенциометрических датчиков, сокращение энергозатрат. Заявляемый модуль прост в изготовлении и обслуживании, относительно дешев, что дает основание считать, что данное изобретение будет реализовано на внутреннем рынке страны. Возможно патентование данного технического решения за рубежом.

Источники информации
1. Патент СССР 1790691, кл. F 02 D 11/08, з. 06.02.90, оп. 23.01.93, "Устройство для открытия дроссельной заслонки карбюратора двигателя внутреннего сгорания" (аналог).

2. Патент США 5233882, кл. НКИ 74/514, з. 26.04.91, оп. 10.08.93, "Модуль дистанционного управления дроссельной заслонкой двигателя автомобиля от педали акселератора" (аналог).

3. Патент США 5295409, кл. НКИ 74/514, з. 19.04.93, оп. 22.03.94, "Система управления автомобилей" (аналог).

4. ЕПВ 93916157.6, п. 0664384, кл. F 02 В 31/00, з. 09.07.93, оп. 26.07.95, "Устройство для управления впрыскиванием топлива" (аналог).

5. Патент США 5454358, кл. F 02 D 11/10, з. 23.02.94, оп. 03.10.95, "Список управления положением дроссельной заслонки" (аналог).

6. Патент ФРГ 4442489, кл. F 02 D 41/22, з. 30.11.94, оп. 05.06.96, "Электронная система управления дроссельной заслонкой" (аналог).

7. Патент США 553581, кл. F 02 D 7/00, з. 04.02.94, оп. 10.09.96, "Электронная система управления ДВС" (аналог).

8. Авторское свидетельство СССР 1781443, кл. F 02 D 9/00, з. 10.09.90, оп. 15.12.92, "Устройство для регулирования наполнения в двигателе внутреннего сгорания" (прототип).

Изобретение может быть использовано в устройствах для управления и регулирования положением дроссельной заслонки карбюратора двигателя внутреннего сгорания. Модуль содержит электрическую схему и связанные с ней датчики поворота заслонки и углового положения оси педали акселератора. Датчик положения педали выполнен в виде оптоэлектронной системы, включающей излучатель управляющего сигнала и фотоприемник. Регулятор светового потока укреплен на оси между излучателем и фотоприемником и смонтирован в корпусе модуля. Регулятор выполнен в виде секторной заслонки. При этом регулятор может быть выполнен в виде или пластины, или из прозрачного материала, или из непрозрачного, имеющего один или несколько прозрачных участков. Датчик модуля может быть снабжен формирователем оптического сигнала в виде диафрагмы и рассеивателем. Технический результат заключается в повышении надежности путем устранения трущихся деталей, повышении чувствительности к управляющему воздействию углового положения педали акселератора, а также в обеспечении возможности регулировки формы управляющего сигнала. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Модуль дистанционного управления дроссельной заслонкой карбюратора двигателя внутреннего сгорания, содержащий электрическую схему и связанные с ней датчики поворота заслонки и углового положения оси педали акселератора, отличающийся тем, что датчик положения педали выполнен в виде оптоэлектронной системы, включающей излучатель управляющего сигнала и фотоприемник, и снабжен поворотным регулятором с переменным ослаблением светового потока, жестко укрепленным на оси и установленным между излучателем и фотоприемником системы, смонтированной неподвижно в корпусе модуля. 2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что регулятор выполнен в виде секторной заслонки. 3. Модуль по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что регулятор выполнен в виде пластины из прозрачного материала с переменной по площади оптической плотностью в направлении движения регулятора. 4. Модуль по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что регулятор выполнен в виде пластины из непрозрачного материала и снабжен по меньшей мере одним фигурным прозрачным участком, выполненным на ее рабочей периферии. 5. Модуль по пп. 1 и 2, 4, отличающийся тем, что пластина снабжена перфорированным периферийным участком с прозрачным отверстием. 6. Модуль по пп. 1 и 2, 4 и 5, отличающийся тем, что пластина выполнена с переменным соотношением площадей непрозрачных участков и прозрачных отверстий в направлении движения регулятора. 7. Модуль по пп. 1-6, отличающийся тем, что он снабжен формирователем излучаемого оптического сигнала. 8. Модуль по п. 7, отличающийся тем, что формирователь выполнен прямоугольной формы или в форме части кольца с центром на оси диафрагмы, установленной между излучателем и регулятором. 9. Модуль по п. 7 или 8, отличающийся тем, что формирователь снабжен рассеивателем оптического сигнала, установленным перед диафрагмой. 10. Модуль по пп. 1-9, отличающийся тем, что он снабжен стабилизатором сигнала в виде дополнительного фотоприемника, подключенного к излучателю через схему его управления, связанную с электрической схемой.