СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ БАЛАНСИРОВКИ ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК F02D35/02 F02D41/14 F02D41/40 

Изобретение относится к способу балансировки цилиндров дизельного двигателя. Изобретение также относится к системе для балансировки цилиндров дизельного двигателя.

В поршневых двигателях существуют различия в выработке мощности (энергии) между различными цилиндрами двигателя. Причиной различий является, например, износ компонентов системы впрыска, результатом которого является изменение их работы в течение их срока службы. Различия в мощностях цилиндров отрицательно влияют на работу двигателя, например, посредством увеличения нагрузки на коленчатый вал и другие компоненты, а также вибраций двигателя. Следовательно, делаются попытки балансировки цилиндров, то есть сохранения процесса сгорания между цилиндрами настолько одинаковым, насколько это возможно. Проблемы, относящиеся к различиям мощностей между цилиндрами, распространены в дизельных двигателях, которые оснащены общей системой подачи давления, в которой в качестве топлива используется тяжелое дизельное топливо.

Целью настоящего изобретения является разработка улучшенного решения для балансировки нагрузки на цилиндры в дизельном двигателе.

Цели изобретения достигнуты, в основном, как описано в п.1 и 12 прилагаемой формулы изобретения. В изобретении определяется начальный момент процесса сгорания в каждом цилиндре, и определенный начальный момент процесса сгорания сравнивается с конкретным заданным значением. Начальный момент впрыска топлива в цилиндры изменяется, если определенный начальный момент процесса сгорания отличается от заданного значения. К тому же, измеряется температура выхлопного газа каждого цилиндра, и длительность впрыска топлива в цилиндры изменяется на основе температур выхлопного газа для выравнивания мощностей, вырабатываемых цилиндрами.

Изобретением достигнуты значительные преимущества. Различия мощностей между цилиндрами будут сбалансированы посредством регулировки как начального момента процесса сгорания, так и длительности впрыска топлива в каждый цилиндр отдельно. Различия мощностей между цилиндрами, возникающие из-за износа компонентов системы впрыска, могут быть компенсированы, и, таким образом, работа цилиндров может оставаться оптимальной на протяжении всего срока службы компонентов. Также, изменения нагрузки, вызванные различиями качества разных типов топлива могут быть компенсированы, посредством чего они имеют настолько малое влияние на работу двигателя, насколько возможно. Система также может быть использована в обслуживании компонентов системы впрыска топлива, например, форсунок. Управляющий элемент системы может быть настроен для слежения за изменениями заданных значений компонентов, посредством чего управляющий элемент сообщает о необходимости замены компонента, если заданное значение выходит за рамки ограничивающего значения, обозначая необходимость замены компонента. К тому же, в системе впрыска могут быть использованы менее дорогие форсунки, поскольку отсутствует необходимость поиска индивидуальных значений регулировки форсунки для каждой общей системы подачи давления.

Далее изобретение будет иллюстративно описано более подробно со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором схематично изображена одна система согласно изобретению.

На чертеже изображен пример системы 1 согласно изобретению для балансировки цилиндров 3 дизельного двигателя. Система 1 расположена в соединении с поршневым двигателем 2. Двигатель 2 является большим дизельным двигателем, который используется, например, в качестве главного и дополнительного двигателя в судах или в электростанциях. Двигатель 2 предусмотрен с общей системой 4 подачи давления для подачи топлива в цилиндры 3. Например, в качестве топлива в двигателе 2 используется тяжелое дизельное топливо. Система 4 впрыска имеет электрическое управление.

Двигатель содержит несколько цилиндров 3, каждый из которых предусмотрен с форсункой 5 для впрыскивания топлива в камеру сгорания цилиндра. Система подачи содержит общую топливную магистраль 9 для топлива под давлением. Форсунки 5 присоединены к общей топливной магистрали 9. Система 4 подачи топлива содержит источник 6 топлива, например, топливный бак, и насос 11 низкого давления и насос 12 высокого давления для подачи топлива от источника 6 топлива в общую топливную магистраль 9. Каждая форсунка 5 находится в соединении, обеспечивающем поток, с общей топливной магистралью 9 через топливный канал 10.

Пока двигатель 2 работает, топливо перекачивается из топливного бака 6 посредством насоса 11 низкого давления по подающему каналу 13 к насосу 12 высокого давления и далее, посредством насоса 12 высокого давления через подающий канал 13 в общую топливную магистраль 9. Из общей топливной магистрали 9 топливо направляется к форсункам 5. Топливо впрыскивается форсунками 5 в цилиндры 3 в заданный момент.

Двигатель содержит систему 1, посредством которой цилиндры 3 балансируются, то есть, между цилиндрами 3 удерживается настолько одинаковый процесс сгорания, насколько возможно. Система 1 содержит управляющий элемент 14, который управляет впрыском топлива из форсунок 5 в цилиндры 3. Управляющий элемент 14 определяет начальный момент впрыска топлива в каждый цилиндр. Управляющий элемент 14 регулирует начальный момент впрыска топлива. Более того, управляющий элемент 14 управляет длительностью впрыска топлива.

Управляющий элемент 14 определяет начальный момент процесса сгорания, то есть угол поворота коленчатого вала в каждом цилиндре 3, соответствующий началу сгорания. Начальный момент процесса сгорания может быть определен на основе измерения местоположения давления цилиндра (угла поворота коленчатого вала, соответствующего давлению цилиндра, обозначающему начало процесса сгорания) или на основе измерения торсионной вибрации коленчатого вала. В обоих способах угол поворота измеряется датчиком 16 угла поворота, выполненным для этой цели. Результаты измерений от датчика 16 угла поворота передаются в управляющий элемент 14.

В способе, основанном на измерении местоположения давления цилиндра, давление цилиндра в каждом цилиндре 3 измеряется средством 15 измерения, выполненным для этой цели, таким как датчик давления, датчик детонации (преобразователь ускорений) или тензометр, выполненным с соединением с цилиндром 3. Давление цилиндра также может быть измерено посредством использования измерения ионизации. Результаты измерений давления цилиндра и угла поворота коленчатого вала передаются в управляющий элемент 14. Управляющий элемент 14 определяет начальный момент процесса сгорания в каждом цилиндре 3 на основе результатов измерений давления цилиндра и угла поворота коленчатого вала. Как только измеренное давление цилиндра достигает значения, которое обозначает, что процесс сгорания в цилиндре 3 начался, будет определен соответствующий угол поворота коленчатого вала. Начало процесса сгорания обозначается, например, посредством изменения углового коэффициента, происходящего в кривой увеличения давления цилиндра. Начальный момент процесса сгорания также может быть определен посредством измерения максимального давления цилиндра.

Когда начальный момент процесса сгорания определяется на основе измерения торсионной вибрации, система содержит средство измерения для измерения торсионной вибрации коленчатого вала. Датчик 16 угла поворота, измеряющий угол поворота коленчатого вала, может быть использован в качестве средства измерения, посредством чего получаются результаты измерений величины торсионной вибрации и угла поворота, при котором происходит торсионная вибрация. Результаты измерений передаются к управляющему элементу 14. На основе результатов измерений управляющий элемент 14 определяет начальный момент процесса сгорания в каждом цилиндре 3.

Когда начальный момент процесса сгорания определен, управляющий элемент 14 сравнивает определенный начальный момент процесса сгорания с конкретным заданным значением. Заданное значение может быть предопределено, например, на основе нагрузки на двигатель и давления в общей топливной магистрали 9. Если определенный начальный момент процесса сгорания отличается от заданного значения, то управляющий элемент 14 изменяет начальный момент впрыска топлива отдельно для каждого цилиндра. Начальный момент впрыска топлива изменяется так, чтобы начальный момент процесса сгорания приблизился к заданному значению. Поскольку начальный момент впрыска топлива довольно точно соответствует начальному моменту процесса сгорания, начальный момент впрыска топлива может быть изменен для того, чтобы быть идентичным заданному значению начального момента процесса сгорания.

К тому же, управляющий элемент 14 изменяет длительность впрыска топлива в цилиндры 3 для выравнивания мощностей, вырабатываемых цилиндрами. Длительность впрыска топлива изменяется отдельно для каждого цилиндра. Длительность впрыска топлива изменяется тогда, когда была выполнена описанная выше регулировка начального момента впрыска топлива, то есть начальный момент впрыска топлива соответствует заданному. Длительность впрыска топлива в цилиндры может быть изменена на основе температур выхлопного газа цилиндров 3 или на основе измерения торсионной вибрации коленчатого вала.

В случае регулировки длительности впрыска топлива на основе температур выхлопного газа система 1 содержит отдельные для каждого цилиндра датчики 18 температуры для измерения температур выхлопного газа цилиндров. Датчики 18 температуры установлены в выхлопных трубопроводах 19 цилиндров. Результаты измерений от датчиков 18 температуры передаются к управляющему элементу 14. Управляющий элемент 14 изменяет длительность впрыска топлива на основе измеренных температур выхлопного газа. Длительность впрыска топлива изменяется для выравнивания мощностей, выработанных цилиндрами 3. Управляющий элемент 14 может изменять длительность впрыска топлива так, чтобы температуры выхлопного газа в соответствующих цилиндрах 3 были равны. Измеренные температуры выхлопного газа сравниваются с заданным значением. Если температура выхлопного газа одного из цилиндров 3 отличается от заданного значения, то длительность впрыска топлива в упомянутый цилиндр изменяется так, чтобы температура выхлопного газа соответствовала ее заданному значению. Среднее значение измеренных температур выхлопного газа или предопределенное значение могут быть использованы в качестве заданного значения для температуры выхлопного газа, величина этого значения может зависеть, например, от нагрузки на двигатель или используемого топлива. Если температура выхлопного газа является слишком низкой, то длительность впрыска топлива продляется. Подобным образом, если температура выхлопного газа является слишком высокой, то длительность впрыска топлива сокращается.

В случае определения длительности впрыска топлива на основе измерения торсионной вибрации коленчатого вала система содержит средство измерения для измерения торсионной вибрации коленчатого вала. Датчик 16 угла поворота, измеряющий угол поворота коленчатого вала, может быть использован в качестве средства измерения, посредством чего одновременно получаются результаты измерений величины торсионной вибрации и угла поворота, при котором происходит торсионная вибрация. Результаты измерений передаются к управляющему элементу 14. Управляющий элемент 14 изменяет длительность впрыска топлива отдельно в каждый цилиндр так, чтобы торсионная вибрация коленчатого вала была сведена к минимуму.

Длительность впрыска топлива может быть изменена посредством использования обоих описанных выше способов, то есть на основе температур выхлопного газа цилиндров и на основе торсионной вибрации коленчатого вала. Тогда длительность впрыска топлива может быть отрегулирована посредством использования обоих измерений одновременно или посредством использования в качестве основного одного измерения, например, измерения температур выхлопного газа, в то время как другое измерение является резервным измерением. Другое измерение может быть использовано по требованию, например, в случае отказа основного измерения.

Изобретение не ограничено показанными вариантами осуществления, и возможны некоторые изменения в рамках объема прилагаемой формулы изобретения. Начальный момент процесса сгорания может быть определен посредством измерения тока в электромагнитных клапанах форсунок 5 или посредством измерения давления впрыска топлива. Давление впрыска топлива может быть измерено посредством реле давления или преобразователя давления, который выполнен в общей топливной магистрали 9 или в топливном канале 10 форсунки.

Например, согласно одному варианту осуществления длительность впрыска топлива в цилиндры 3 изменяется на основе температур выхлопного газа и на основе торсионной вибрации для выравнивания мощностей, вырабатываемых цилиндрами. Таким образом, возможно дополнительно увеличить точность регулировки, поскольку это относится к длительности впрыска.

К тому же, способ содержит этап, на котором оценивается правильность измерения температуры выхлопного газа и изменение длительности впрыска топлива определяется на основе торсионной вибрации в случае, если измерение температуры выхлопного газа не является достоверным. Такими ситуациями, при которых измерение температуры выхлопного газа не является достоверным, являются, например, отказ датчика, который измеряет температуру выхлопного газа, или случай, когда температура 18 выхлопного газа достаточно отклоняется от заданного значения температуры или от среднего значения температур выхлопного газа цилиндров. Это обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что ошибочные состояния датчика, неблагоприятно влияющие на регулировку длительности впрыска, могут быть определены, и отсутствует необходимость остановки двигателя. В этом случае один способ определения изменения длительности впрыска топлива в цилиндры 3 основан на торсионной вибрации, если температура 18 выхлопного газа цилиндра отклоняется более чем на 50% от заданного значения температуры или от среднего значения температур выхлопного газа цилиндров. Заданным значением температуры для конкретной нагрузки может быть, например, справочное значение для этой конкретной нагрузки и скорости, записанное в системе регулировки. Другой способ определения изменения длительности впрыска топлива в цилиндры 3 основан на торсионной вибрации, если температура 18 выхлопного газа цилиндра отклоняется более чем на 10% от заданного значения температуры или от среднего значения температуры выхлопного газа цилиндров. Это обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что способ определения, неблагоприятно влияющий на регулировку длительности впрыска, может быть моментально изменен, посредством чего может быть выбран один способ определения для использования в качестве основного, в этом случае, способ, основанный на температурах выхлопного газа. Обе практики могут быть реализованы посредством изменения функциональности управляющего элемента 14 системы.

Изобретение может быть использовано в дизельных двигателях. Способ балансировки цилиндров (3) дизельного двигателя (2) заключается в определении начального момента процесса сгорания в каждом цилиндре (3), сравнении определенного начального момента процесса сгорания с конкретным заданным значением, и изменении начального момента впрыска топлива в цилиндры (3), если определенный начальный момент процесса сгорания отличается от заданного значения. При этом измеряют температуру выхлопного газа каждого цилиндра и изменяют длительность впрыска топлива в цилиндры (3) на основе температур выхлопного газа для выравнивания мощностей, вырабатываемых цилиндрами (3). Раскрыта система для балансировки цилиндров (3) дизельного двигателя. Технический результат заключается в устранении различия между мощностями, вырабатываемыми различными цилиндрами двигателя. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ балансировки цилиндров (3) дизельного двигателя (2), в котором
- определяют начальный момент процесса сгорания в каждом цилиндре (3),
- сравнивают определенный начальный момент процесса сгорания с конкретным заданным значением, и
- изменяют начальный момент впрыска топлива в цилиндры (3), если определенный начальный момент процесса сгорания отличается от заданного значения, отличающийся тем, что
- измеряют температуру (18) выхлопного газа каждого цилиндра, и
- изменяют длительность впрыска топлива в цилиндры (3) на основе температур выхлопного газа для выравнивания мощностей, вырабатываемых цилиндрами (3).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность отдельного для каждого цилиндра впрыска топлива продлевают, если температура выхлопного газа является слишком низкой, и сокращают, если температура выхлопного газа является слишком высокой.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что длительность впрыска топлива в цилиндры (3) изменяют так, чтобы достичь заданную температуру выхлопного газа.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве заданного значения используют среднее значение измеренных температур выхлопного газа или предопределенное значение.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют торсионную вибрацию коленчатого вала двигателя, и длительность впрыска топлива в цилиндры (3) изменяют на основе торсионной вибрации для выравнивания мощностей, вырабатываемых цилиндрами.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что длительность впрыска топлива в цилиндры (3) изменяют на основе температур выхлопного газа и торсионной вибрации.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что способ дополнительно содержит этап, на котором оценивают правильность измерения температуры (18) выхлопного газа, и изменение длительности впрыска топлива в цилиндры (3) определяют на основе торсионной вибрации, если измерение температуры (18) выхлопного газа цилиндра не является достоверным.

8. Способ по п.5 или 7, отличающийся тем, что изменение длительности впрыска топлива в цилиндры (3) определяют на основе торсионной вибрации, если температура (18) выхлопного газа цилиндра отклоняется от заданного значения температуры или от среднего значения температур выхлопного газа цилиндров (3).

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют местоположение (15, 16) давления цилиндра в каждом цилиндре (3), и начальный момент процесса сгорания определяют на основе измерения местоположения давления цилиндра.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что давление цилиндра измеряют посредством датчика детонации, тензометра или датчика (15) давления, который выполнен в соединении с цилиндром (3).

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют торсионную вибрацию коленчатого вала двигателя, и начальный момент процесса сгорания определяют на основе измерения торсионной вибрации.

12. Система (1) для балансировки цилиндров дизельного двигателя (2), содержащая датчики (18) температуры, устанавливаемые в соединении с каждым цилиндром (3) для измерения температуры выхлопного газа цилиндра, и управляющий элемент (14), который выполнен с возможностью
- определения начального момента процесса сгорания в каждом цилиндре (3),
- сравнения определенного начального момента процесса сгорания с заданным значением, и
- изменения начального момента впрыска топлива в цилиндры (3), если определенный начальный момент процесса сгорания отличается от заданного значения;
отличающаяся тем, что управляющий элемент (14) выполнен с возможностью изменения длительности впрыска топлива в цилиндры (3) на основе измерения температур выхлопного газа для выравнивания мощностей, вырабатываемых цилиндрами.

13. Система по п.12, отличающаяся тем, что управляющий элемент выполнен с возможностью продления длительности отдельного для каждого цилиндра впрыска топлива, если температура выхлопного газа является слишком низкой, и сокращения ее, если температура выхлопного газа является слишком высокой.

14. Система по п.12 или 13, отличающаяся тем, что управляющий элемент (14) выполнен с возможностью изменения длительности впрыска топлива с достижением заданной температуры выхлопного газа цилиндров (3).

15. Система по п.14, отличающаяся тем, что в качестве заданного значения используется среднее значение температур выхлопного газа или предопределенное значение.

16. Система по п.12, отличающаяся тем, что система содержит средство (16) для измерения торсионной вибрации коленчатого вала, причем управляющий элемент (14) выполнен с возможностью изменения длительности впрыска топлива в цилиндры (3) на основе торсионной вибрации для выравнивания мощностей, вырабатываемых цилиндрами (3).

17. Система по п.12, отличающаяся тем, что система содержит средство (16) для измерения торсионной вибрации коленчатого вала, причем управляющий элемент (14) выполнен с возможностью изменения длительности впрыска топлива в цилиндры (3) как на основе температур выхлопного газа, так и на основе торсионной вибрации.

18. Система по п.16 или 17, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит средство для оценки правильности измерения температуры (18) выхлопного газа и определения изменения длительности впрыска топлива в цилиндры (3) на основе торсионной вибрации, если измерение температуры (18) выхлопного газа цилиндра не является достоверным.

19. Система по п.18, отличающаяся тем, что управляющий элемент (14) выполнен с возможностью изменения длительности впрыска топлива в цилиндры (3) на основе торсионной вибрации, если температура (18) выхлопного газа цилиндра отклоняется от заданного значения температуры или от среднего значения температур выхлопного газа цилиндров (3).

20. Система по п.12, отличающаяся тем, что система (1) содержит средства (15, 16) для измерения местоположения давления цилиндра в каждом цилиндре (3), причем управляющий элемент (14) выполнен с возможностью определения начального момента процесса сгорания в цилиндрах (3) на основе измерения местоположения давления цилиндра.

21. Система по п.20, отличающаяся тем, что средства для измерения местоположения давления цилиндра содержат датчик детонации, тензометр или датчик (15) давления, выполненный в соединении с цилиндром.

22. Система по п.20 или 21, отличающаяся тем, что средства для измерения положения давления цилиндра содержат датчик (16) угла поворота, который измеряет угол поворота коленчатого вала двигателя.