УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РАБОЧИХ СРЕД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F01P7/14 F01P11/20 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к автоматическому регулированию температуры рабочих сред двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в транспортных средствах для регулирования температуры рабочих сред ДВС: систем охлаждения, наддувочного воздуха, смазочного масла и топливной системы.

Известно, что для нормальной эксплуатации двигателей внутреннего сгорания необходимо поддержание определенного уровня температуры его деталей и рабочих сред (охлаждающей воды, наддувочного воздуха, масла и топлива).

Известны системы регулирования температурного состояния деталей и рабочих сред, заключающихся в использовании электрических электронных блоков управления. Например, известно устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания [1]. Устройство содержит регулирующий орган с двумя клапанами, электрический исполнительный механизм - электромагнит, датчик температуры и блок управления. Электромагнит, связанный со штоком регулирующего органа с помощью клапанов, перераспределяет жидкость на перепуск или на холодильник, чем осуществляют регулирование температуры.

Недостатком данного устройства является недостаточная точность регулирования.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является "Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором, имеющим газовыхлопной патрубок" [2].

Устройство содержит датчик температуры, трехходовой кран, электрический исполнительный механизм постоянной скорости, электронный блок управления и релейно-импульсную систему.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности изменения программ регулирования рабочих сред (в пределах определенных границ для выбранных структур) без изменения монтажных связей.

Кроме того, данное устройство обладает инерционностью, что обусловливает его запаздывание регулирования температуры на изменение нагрузки, что является основной причиной невысокого качества регулирования. Это объясняется тем, что при появлении в устройстве возмущающего воздействия происходит повышенная теплоотдача в систему охлаждения ДВС. В этом случае для обеспечения требуемого качества регулирования можно выполнить синтез структуры системы с использованием последовательных корректирующих устройств. Сложность решения задачи таким методом состоит в том, что при таком синтезе ее функциональные и регулирующие устройства реагируют на поступившее возмущающее воздействие не сразу в момент поступления его на устройство. А только тогда, когда оно уже проходит через устройство, т.е. с некоторым запаздыванием, значение которого определяется инерционностью устройства по каналу возмущающего воздействия.

Таким образом, теряется оперативность в принятии мер по выработке регулирующего воздействия на устройство, компенсирующего нежелательное влияние возмущающего воздействия на регулируемую температуру. Несвоевременность принятия таких мер приводит к ухудшению качества регулирования [3].

Заявляемое изобретение решает задачу создания компактного устройства, обладающего простотой реализации достаточно сложных алгоритмов работы автоматического регулирования температуры рабочих сред ДВС с возможностью изменения в широком диапазоне параметров настройки в зависимости от режимов и условий работы двигателя.

Техническим результатом, достигаемым при этом, является быстрота и точность регулирования оптимальной температуры охлаждающей воды на переменных нагрузках за счет повышения быстродействия элементов устройства, введения в устройство комбинированного регулирования. Наряду с регулированием по отклонению или ошибке температуры, используется регулирование по возмущающему воздействию, расширение и наращивание его функциональных возможностей по мере необходимости или появления новых алгоритмов работы автоматического регулирования температуры и новых технических средств, без усложнения аппаратной части.

Этот технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для регулирования температуры системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС), содержащее электрический датчик температуры, установленный на выходе из двигателя; электрический исполнительный механизм, соединенный с трехходовым краном, патрубки которого подключены к каналам приема охлаждающей жидкости из двигателя, перепуска на двигатель и распределения потока охлаждающей жидкости на холодильник, снабжено датчиком нагрузки, установленным на двигателе и микроЭВМ с компенсирующим, регулирующим узлами и узлом сравнения-суммирования, узел сравнения-суммирования соединен с датчиками температуры, нагрузки и задатчиком.

При этом, сигналы от задатчика, датчика температуры через аналого-цифровой преобразователь, датчика нагрузки через цифроаналоговый преобразователь и компенсирующий узел попадают в узел сравнения-суммирования, а сигнал рассогласования подается на регулирующий узел, выход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к исполнительному механизму.

На чертеже представлен пример реализации данного изобретения на устройстве для регулирования температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения ДВС. Устройство содержит непрерывную часть А и дискретную часть Б. К непрерывной части относится двигатель 1, электрический датчик температуры 2, установленный на выходе из двигателя 1, датчик нагрузки 3, регулирующий орган, выполненный в виде трехходового крана 5, электрический исполнительный механизм 4, соединенный с трехходовым краном 5, патрубки которого подключены к каналам: 6 - приема охлаждающей жидкости из двигателя, 7 - перепуска на двигатель, 8 - распределения потока охлаждающей жидкости на холодильник 9. К дискретной части относится аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 10, 11; микроЭВМ 12, в которой предусмотрены компенсирующий узел 13, узел сравнения-суммирования 14 и регулирующий узел 15; цифроаналоговый преобразователь 16 и задатчик программы 17.

Электрический исполнительный механизм 4 постоянной скорости соединен механически с трехходовым краном 5 и может находиться только в трех установившихся состояниях: вращение выходного вала с постоянной скоростью S, неподвижность, вращение выходного вала в обратную сторону с постоянной скоростью - S.

Датчик температуры 2 служит для регулирования системы охлаждения по отклонению температуры охлаждающей жидкости, а датчик нагрузки 3 - по отклонению возмущающего воздействия. При работе двигателя датчик температуры 2 формирует аналоговый сигнал V_m, а датчик нагрузки 3 - V_λ в аналоговой форме.

Для передачи сигналов из А в Б и обратно эти сигналы должны соответствующим образом преобразовываться. С этой целью в структуру устройства включаются аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 10, 11, преобразующие аналоговые сигналы V_m, V_λ в дискретные х, у и цифроаналоговый преобразователь (η регулирования температуры ЦАП) 16, преобразующий дискретный сигнал r регулирования температуры в аналоговый сигнал.

В зависимости от требований к оптимальному температурному режиму задатчик программы 17 устанавливается на заданную температуру и с помощью сигнала α_д задатчик программы 17 связан с узлом сравнения-суммирования 14.

В случае необходимости использования других систем в данном устройстве, например, системы регулирования температуры наддувочного воздуха, смазочного масла, топлива, поршня, форсунки и т.п. - датчики этих элементов (не показаны) через АЦП подключаются к микроЭВМ 12.

Предлагаемое устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя работает следующим образом.

После запуска двигателя данное устройство начинает работать. При этом непрерывный аналоговый сигнал V_m от датчика температуры 2 подается в аналого-цифровой преобразователь 10. В АЦП 10 непрерывный сигнал подвергается квантованию по времени с шагом Δt, т.е. сигнал получает определенные значения только в моменты 0, Δt, 2Δt,...nΔt,... Таким образом, непрерывный сигнал, полученный от датчика температуры 2, например V_m(t) преобразуется в дискретный x(t). Одновременно происходит квантование сигнала по уровню путем округления дискретного сигнала x(t) до стандартного ближайшего уровня. Полученный таким образом сигнал x(t) представляет собой последовательность цифровых двоичных кодов, которые в дискретные моменты времени передаются в микроЭВМ 12 (см. чертеж).

Одновременно непрерывный аналоговый сигнал V_λ от датчика нагрузки 3 подается в аналого-цифровой преобразователь 11, который аналогично сигналу V_m преобразуется в дискретный сигнал у и подается в микроЭВМ 12. МикроЭВМ 12 со своим программным обеспечением реализует функции управления с помощью компенсирующего, регулирующего узлов 13, 15 и узла сравнения-суммирования 14.

Сигнал нагрузки у, поступающий на компенсирующий узел 13, преобразуется в соответствии с заданным законом и поступает на узел сравнения-суммирования 14.

Сопоставлением сигналов от датчиков температуры х и нагрузки с сигналом α_д, поступающим от задатчика программы (ЗП) 17 (в данном случае дискретного), в узле сравнения-суммирования 14 происходит изменение сигнала ошибки ε. По этому сигналу ε регулирующий узел 15 вырабатывает дискретный сигнал погрешности, на основании которого в каждый тактовый момент времени в соответствии с выбранным законом регулирования вычисляется дискретный регулирующий сигнал r, который передается в ЦАП 16, где он преобразуется в аналоговый ступенчатый η, который и поступает в электрический исполнительный механизм 4, который приводит в действие по часовой стрелке или против в зависимости от знака сигнала и через трехходовой кран 5 происходит распределение потока охлаждающей жидкости системы охлаждения:
- по каналу 7 на перепуск, если θ_p≤θ₀;
- по каналам 7 и 8 - на перепуск и холодильник, если θ_p≥θ₀;
- по каналу 8 в холодильник, если θ_p≥θ_кр.
Здесь
θ_p - регулируемая температура охлаждающей жидкости.

θ_o - оптимальная температура охлаждающей жидкости.

θ_кр - критическая температура охлаждающей жидкости.

В этом устройстве датчик нагрузки 3 с компенсирующим узлом 13 на основании измерения возмущения воздействует на регулируемый объект с тем, чтобы не допустить отклонения регулируемой температуры. При этом регулирование с компенсацией возмущающего воздействия с целью формирования такого сигнала V_λ, который, будучи подан на вход предлагаемого устройства, компенсирует действие возмущений. Регулирование по возмущению сочетает с регулированием по отклонению температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения. Сигнал регулирования r, формирующийся на выходе микроЭВМ 12, зависит от отклонений как регулируемой температуры системы охлаждения, так и текущего изменения нагрузки.

Таким образом, заявляемое устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости ДВС, используя наряду с регулированием по отклонению температуры регулирование по возмущающему воздействию-нагрузке, позволяет поддерживать оптимальную температуру охлаждающей жидкости системы охлаждения на всех режимах работы двигателя. Кроме того, при необходимости позволяет подключить к данному устройству другие объекты, например системы для регулирования температуры наддувочного воздуха, смазочного масла, топлива, поршня, форсунки и т.п.

Источник информации
1. Патент 1763687 A1, F 01 Р 7/16. Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания. Авторы В.Н, Тимофеев, Е.А. Киселев, В.Д. Мирошниченко, Е.В. Кротов, и Г.А. Андреев. Заявка 4888882/06. Заявлено 06.12.90 г., опубликовано 23.09.92 г. Бюл. 35.

2. Патент 2031216 C1, F 01 Р 7/14. Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором, имеющим газовыхлопной патрубок. Авторы В.Н. Тимофеев, Е.А. Киселев, Е. В. Кротов и др. Заявка 4942614/ 06. Заявлено 04.06.91, опубликовано 20.03.95 г. Бюл. 8.

3. Клюев А.С. Автоматическое регулирование. Изд. 2-е, перераб. и доп. М. , "Энергия", 1973.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к автоматическому регулированию температуры рабочих сред двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в транспортных средствах для регулирования температуры рабочих сред ДВС: систем охлаждения, наддувочного воздуха и топливной системы. Устройство для регулирования температуры рабочих сред двигателя внутреннего сгорания, содержащее электрический датчик температуры, установленный на выходе из двигателя, соединенный с блоком управления, связанным через электрический исполнительный механизм, с трехходовым краном, патрубки которого подключены с каналами приема рабочей среды двигателя, перепуска на двигатель и распределения потока рабочей среды на теплообменник, дополнительно содержит датчик нагрузки, установленный на двигателе и микроЭВМ с узлами компенсации, сравнения-суммирования и регулирования, причем узел сравнения-суммирования соединен с датчиками температуры, нагрузки и задатчиком. Изобретение обеспечивает быстроту и точность регулирования оптимальной температуры охлаждающей воды на переменных нагрузках за счет повышения быстродействия элементов устройства, введения в устройство комбинированного регулирования. 1 ил.

Устройство для регулирования температуры рабочих сред двигателя внутреннего сгорания, содержащее электрический датчик температуры, установленный на выходе из двигателя, соединенный с блоком управления, связанным через электрический исполнительный механизм, с трехходовым краном, патрубки которого подключены с каналами приема рабочей среды двигателя, перепуска на двигатель и распределения потока рабочей среды на теплообменник, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит датчик нагрузки, установленный на двигателе и микроЭВМ с узлами компенсации, сравнения-суммирования и регулирования, причем узел сравнения-суммирования соединен с датчиками температуры нагрузки и задатчиком.