Устройство управления впрыском топлива в дизель с наддувом Советский патент 1984 года по МПК F02M69/00 

Изобретение относится к двигателестроениЮ; а именно к системам электронного управления топливопода чей в дизели с различными степенями наддува. Известны устройства управления впрыском топлива в дизель с наддуво содержащие управляемый формировател импульсов, фильтр, блок перемножени интегратор, первый сумматор, источник опорного напряжения, генератор гармонического сигнала, датчик угло ,вой скорости и цепь управления, выполненную в виде одновибратора, уси лителя и электромагнитного клапана, соединенных последовательно, причем датчик угловой скорости выполнен в виде постоянного магнита, размещенн го на валу и катушки, установленной вблизи вала СИ . В устройстве датчик угловой скорости вала выполнен в виде двух катушек, установленных у вала, и постоянного магнита, размещенного на валу, первая катушка подключена к вкоду управляемого формирователя им пульсов , прямой выход которого соединен с входом триггера для установ ки его в единичное состояние, а инверсный - с шиной сброса в нулевое состояние реверсивного счетчика, прямой и инверсный выходы триггера соединены соответственьо с шинами сложения и вычитания реверсивного счетчика, вторая катушка через неуправляемый формирователь импульсов связана с входом .триггера для установки его в нулевое состояние, выхо генератора импульсов подключен к входу реверсивного счетчика, прямые выходы двоичных ячеек реверсивного счетчика подключены к входам схемы И, выход схемы И подключен к входу одновибратора, выход которого через усилитель связан с электромагнитным клапаном дизель-геьератора, выход датчика мощности дизель-генератора через фильтр связан с первым входом блока перемножения, выход генератор гармонического сигнала подключен к первому входу су датора и через фазосдвигающее устройство связан с вторым .входом блока перемножения, выхОд блока перемножения через инте ратор связан с вторым входом сумматора, третий вход cyiviMaTOpa подключен к источнику опорного напряжения, а выход - к управляющей шине .управляемого формирователя. Указанное решение обеспечивает наивысшую топливную экономичность дизеля на всех тех режимах работы, где эффективная мощность его отлична от нуля. При работе же дизельгенератора на холостом ходу, когда эффективная мощность равна нул.ю, вы ходной сигнал датчика мощности отсутствует и,изменение угла опережения подачи топлива с целью получейия наивысшей топливной экономичности агрегата не представляется возможным, что является недостатком. При наличии системы наддува в дизеле в случае работы его на близких к номинальному режимах угол опережения впрыска должен выбираться не из условия обеспечения максимальной топливной экономичности, а исходя из необходимости ограничения максимального давления сгорания. В. известном же устройстве угол выбирается только из соображений топливной экономичности, что также является недостатком. Цель изобретения - повышение надежности работы дизеля с наддувом на близких к номинальному режимах и повышение его топливной экономичности на холостом ходу. Указанная цель достигается тем, что в устройство управления впрыском топлива в дизель с наддувом, содержащее управляемый формирователь импульсов, фильтр, блок перемножения, интегратор, первый сумматор, источник опорного напряжения, генератор гармонического сигнала, датчик угловой скорости и цепь управления, выполненную в виде одновибратора, усилите ля и электромагнитного клапана, соединенных последовательно, причем датчик угловой скорости выполнен в виде постоянного магнита, размещен- ного на валу, и катушки, установленной вблизи вала, введены датчики температуры выпускных газов и максиглального давления сгорания в цилиндре дизеля, первая и вторая схемы И, второй сумматор, элемент сравнения и пороговый элемент, причем датчик температуры связан через фильтр, первый вход блока перемножения, интегратор, второй вход первого сумматора, первый вход первой схемы И и первый вход второго сумг/1атора с управляемым формирователем импульсов, соединенным с одновибратором, датчик максимального давления сгорания связан с первым входом элемента сравнения и последовательно - с вторым входом второго сумматора через первый вход второй схемы И, второй вход которой соединен с прямым выходом порогового э темента, инверсный выход которого связан с вторым входом первой схемы И, а вход - с датчиком максимального давления, генератор гармонических сигналов соединен параллельно с вторыгл входом бЛока перемножения и первым входом первого сумматора, а источник опорного напряжения - с вторым входом элемента сравнения. Иа фиг,1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 график зависимости температуры выпускных газов дизеля от угла опережения впрыска (при неизменных мощнос ти и скорости дизеля) и временные диаграммы управляющего и выходного сигналов; на фиг.З - график квазиоптимальной зависимости угла отражени от частоты. Устройство содержит датчик 1 угловой скорости, выполненный в виде размещенного на валу 2 постоянного магнита 3 и катушки 4, установленной вблизи вала 2. Катушка 4 подключена к входу управляемого формирователя 5 импульсов, выход которого через одновибратор 6 и усилитель 7 мощ ности связан с обмоткой электромагнитного клапана 8. Электромагнитный клапан 8 является топливодозирующим органом дизеля 9. Датчик 10 температуры выпускных газов установлен в выпускном коллекторе дизеля 9 и вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный температуре. Датчик 11 максимального давления сгорания установлен в цилиндре дизеля и вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный давлению. Выход датчика 10 температуры выпускных газов через фильтр 12 связан с первьам входом блока 13 перемножения, выход которого через инвертор 14 связан с вторым входом первого сумматора 15. Первый вход, первого сумматора 15подключен к второму входу блока 13 перемножения и выходу генератора 16гармонического сигнала. Выход пер вого сумматора 15 соединен с первым входом первой схемы И 17. Выход датчика 11 максимального давления сгора ния соединен с первым входом элемента 18 Сравнения и входом порогового элемента 19. Второй вход элемента 18 сравнения подключен, к источнику 20 опорного напряжения, а инверсный выход - к первому входу второй схемы И 21. Прямой и инверсный выходы поро гового элемента 19 соединен с вторыми входами соответственно второй схемы И 21 и первой схемы И 17. Выходы первой схемы И 17 и второй схемы И 21 подключены к первому и второму входам второго сумматора 22, выход которого соединен с управляюще шиной управляемого формирователя 5 импульсов. Устройство работает следуквдим образом. . . Рассмотрим случай, когда максимальное давление сгорания в цилиндре дизеля ниже предельного допустимого значения Р.:- Ргдрп При повороте вала на фиксированный угол ф относительно верхней мерт вой точки в каждом обороте на зажимах катушки 4 возникает импульс напряжения, поступающий на вход управляемого формирователя 5 импульсов. Последний формирует импульс напряжения s длительностью ifj , по окончании которого срабатывает одновибратор б. Импульс одновибратора 6 длительностью tiuk после усиления по мощности с помощью усилителя 7 поступает на обмотку злектр омагнитного клапана 8, открывая его. В течение времени гцич. клапан открыт и в цилиндр дизеля поступает топливо. В этом cjiy4ae угол опережения впрыска определяется выражением: &-2vr f-uDto «2jr-if -a jfc:AUy , где -2 - угол поворота вала за один оборот; 3 - угловая скорость вала; Uvj- напряжение на управляющей шине управляемого- формирователя 5 импульсов; К - коэффициент преобразования напряжение - длительность импульса. В процессе работы дизеля датчик 10 и датчик 11 вырабатывают напряжения, пропорциональные соответственно температуре выпускных газов (КоТ) и давлению сгорания в цилиндре (Kg Р.) . Поскольку в данном случае пороговый элемент 19 не срабатывает, вследствие чего первая схема И 17 открыта, а вторая схема И 21 закрыта и на управляющую шину управляемого формирователя 5 импульсов проходит только выходной сигнал 0, , первого сумматора 15. Указанный сигнал представляет собой сумму Uc (nSi(ii)r-t, где Uu - выходное напряжение интегратора 14; Urn - амплитуда выходного сигнала -генератора 16; U5 - круговая частота выходного сигнала генератора 16. В связи с этим угол опережения впрыска определяется следующим обра зом в 2д--cp-KiO) ( 51И Mfi ), т.е. он зависит от медленно меняющегося сигнала интегратора и гармонически изменяющегося напряжения генератора 16. Предположим, что в исходном состоянии угол опережения составляет -в-(, а температура выпускных газов ,| . Под действием гармонического сигнала (при Uu const) указанные параметры изменяются в пределах иТ, -т; (фиг.2). Однако колебания температуры в общем случае могут запаздывать на некоторый угол относительно колебаний угла опережения вследствие инерционности тепловых процессов в дизеле. Кроме того, при отрицательных производных dT/db-Q- между колебаниями температуры и угла оперех ения имеет место дополнительный сдвиг фаз равный dr. При амплитуде колебани угла опережения впрыска участок кри вой 1 -1 можно заменить отрезком прямой, и считать закон изменения температуры во времени синусоидальным. Поэтому переменную составляющую сигнала датчика 10 температуры выпускных газов можно рассматривать как синусоиду, а постоянную составляющую - пропорциональную среднему значению температуры. Фильтр 12 не пропускает постоянную составляющую и его выходной сигнал определяется выражением Ucp Ucpty, (cOffc - - Я X где ифт ампл 1туда выходного сигна ла фильтра 12; . {ср - фазовый сдвиг фильтра. Этот сигнс.л и напряжение генератора 16 подаются на входы блока 13 перемнох ения, на выходе которого 1фор.мируется сигнал и«-л Uqi Ur Ucpm и rm Csln ((s)Д - ip - т - CT)S in cdr-t 0,5 Ucpw Urm&os (- ip - -:Jt)- C03 (ecOft j - -:л) as Ucpm Ui.tr,po(3r-i Hcp tT)(.2COrt- f{p-tr-Jl)l Urm 5aS ,0„- caslj l- -, В спектр этого сигнала входят постоянная составляющая и переменна составляющая частоты, которая почти полностью подавляется интегратором 14. Поэтому выходное напряжение интегратора определяется вырахсением Uu,o,5Ucp№i Urn, лэа (4fj.p)i-(-UMO , где Uuo - начальное- выходное напряжение интегратора 14. При этом закон изменения угла опережения впрыска во -времени оказы вается следующим (2))Ca)r-t-0,5 УС,. Ut-m 10« liol Таким образом, с течением времен угол опережения впрыска растет, колеблясь по синусоидальному закону. Этому случаю (фиг. 2) соответствует движение рабочей точки дизеля из положения 1 в положение Б. Поскольк абсолютная величина производной dT/d при этом падает, то амплитуда , ифуп И сигнал датчика 10 температуры также падают и скорость движения ра бочей точки к положению В с течение времени уменьшается. Когда наступае равенство , на входе интеграто 14 постоянное напряжение отсутствуе а действует только переменная соста ляющая двойной г-частоты, не пропускающаяся этим интегратором. Вследствие этого выходное напряжение интегратора 14 постоянно и среднее значение угла опережения равно б-, а мгновенное значение угла колеблет по гармоническому закону. Если в исходном состоянии рабоча точка дизеля занимает положение 2, то между колебаниями угла опережени впрыска и сигналов на выходе фильтр 12- имеет место сдвиг фаз равный (Н- +Тф) Поэтому выходной сигнал блока 13 перемножения выражается следующим образом U(S UcphiUrwDStM(csatt-4 -fv)stvi «)r-t 0,Б U.rptnUw OJ Hr)- Ос5 , Urm a выходной сигнал интегратора 14 определяется выражением Uu 0,5 Ucpm Ur,v, cos (.)t Uuo, Следовательно, среднее значение напряжения на управляющей шине управляемого формирователя 5 импульсоь с течением времени увеличивается, вызывая увеличение длительности выходного импульса управляемого формирователя 5 импульсов. В результате этого среднее значение угла опережения впрыска с течением времени падает и рабочая точка дизеля движется из положения 2 в положение В. ТемпеjpaTypa выпускных газов при этом также падает. Из вышеизложенного следует, что предлагаемое устройство обеспечивает изменение угла опережения впрыска так, чтобы температура выпускных газов была минимальной. Из теории рабочего -процесса дизелей .известно, что чем вьше качество преобразования энергии топлива в механическую работу (при прочих равных условиях), тем ниже температура выпускных газов и выше топливная экономичность двигателя. При этом минимум температуры и максимум экономичности достигаются при одном и том же угле опережения . впрыска топлива. Следовательно, предлагаемое устройство обеспечивает наивысшую топливную экономичность дизеля на всех режимах его работы, где отсутствует превышение максимальным давлением сгорания допустимого уровня, в том числе и на холостом ходу. Рассмотрим работу устройства на близких к номинальному режимах дизеля, где давление сгорания близко к допустимому уровню. В этом случае срабатывает пороговый элемент 19, первая схема И 17 закрывается, а вторая схема И 21 открывается и.на управляющей шине управляемого формирователя 5 импульсов действует сигнал, равный выходному напряжению элемента 18 сравнения. В результате

этого длительность выходного импульса управляемого формирователя 5 импульсов определяется разностью фактического и допустимого максимальны давлений сгорания

t, К, ) ,

где К2 - коэффициент преобразования

датчика 11 максимального

давления сгорания.

При.этом угол опережения впрыска топлива определяется выражением

-в )ti,i: ((|

С ростом максимального давления сгорания растет выходной сигнал датчика 11 максимального давления сгорания, вследствие чего сигнал на инверсном выходе элемента 18 сравнени также увеличивается. При этом длительность выходного импульса управляемого формирователя 5 импульсов растет, а угол опережения впрыска падает, вызывая снижение максимального давления сгорания. Такой же вывод вытекает при анализе последнего выражения. Следовательно, в канале регулирования угла опережения впрыска имеет место отрицательная обратная связь по максимальному давлению сгорания, благодаря .чему это давление ограничивается и не превышает допустимого уровня, определяемого выходным сигналом источника 20 опорного напряжения. Режим, начиная с которого происходит ограничение максимального давления сгорания, определяется порогом срабатывания порогового элемента 19 и степенью форсировки дизеля по давлению наддува. Таким образом, по сравнению с известными предлагаемое устройство обеспечивает повышение надежности работы дизеля с наддувом на близких к номинальному режимах (за счет ограничения максимального давления сгорания) и повышение его топливной экономичности на холостом ходу, когда эффективная мощность равна нулю, а индикаторная мощность затра иваетс на привод вспомогательных механизмов преодоление сил трения, сил инерции и др.

в качестве базового объекта выбран тепловозный дизель типа Д70 с гидромеханической системой подачи.топлива. Эта система обеспечивает изменение угла опережения впрыска топлива в функции скорости по зависимости 1 на фиг.З. Для получения оптимальной по топливной экономичности зависимости угла опережения от скорости воспользуемся зависимое т ямТя удельного расхода топлива 6 и максимального давления сгорания Р в функции углаопережения впрыска на режимах тепловозной характеристики, приведенными в табл. 1 и 2. Для этого продифференцируем функцию i{) и определим углы опережения, при когорых G имеет минимум. На фиг.З кри.вой abcde представлена квазиоптимальная (близкая к оптимальной) по топливной экономичности зависимость 0-((i ) и Зс1мена ею зависимости 1 позволила бы снизить удельный топлива на 2-2,5%. Разработанное же устройство как раз и обеспечивает на каждом режиме работы дизеля кваз25оптимальные углы опережения впрыска, т.е по сравнению с базовым объектом заметно повышает топливную экономичность .

Следует также отметить, что в гидромеханической системе топливоподачи угол опережения впрыска, определяемый угловым положением кулачка топливного насоса, ycтaнaвJlивaeтcя таким,чтобы на номинальном режиме работы дизеля максимальное давление сгорания не превышало допустимой величины, в то же время на близких к номинальному режимах это давление может превышать допустимый уровень. В отличие от этого при использовании предлагаемого устройства подобные ситуации исключены, так как на указанных режимах устройство обеспечивает изменение угла опережения впрыо ка в зависимости от разности фактического и допустимого давлений сгорания.

Таким образом, по сравнению с базовым объектом предлагаемое устройство обеспечивает повышение топливной экономичности дизеля и повышение надежности его работы на близ.ких к номинальному режимах.

УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЬ С НАДДУВОМ, содержащее управляемый формирователь импульсов, фильтр, блок перемножения, интегратор, первый cyiviMaTOp, источник опорного напряжения, генератор гармонического сигнала, датчик угловой скорости и цепь управления, выполненную в виде одновибратора, усилителя и электромагнитного клапана, соединенных последовательно, . причем датчик угловой., скорости выполнен в виде постоянного магнита, размещенного на валу, и катушки,установленной вблизи вала, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повыщения надежности работы дизеля на режимах, близких к номинальному, и повышения топливной экономичности на холостом ходу, в него введены датчики температуры выпускных газов и максимального давления сгорания в цилиндре дизеля, первая и вторая схемы И, второй сумматор, элемент сравнения и пороговый элемент, причем датчик температуры связан через фильтр, первый вход блока перемножения, интегратор, второй вход первого сумматора, первый вход первой схемы И и первый вход второго сумматора с управляемым формирователем импульсов, соединенным с одновибратором, датчик максимального давления сгорания связан с первым входом элемента сравнения и последовательно - с вторым входом второго сумматора через $ первый вход второй схемы И, второй j Je вход которой соединен с прямым выходом порогового элемента, инверсный выход которого связан с вторым входом первой схемы И, а вход - с датч ком максимального давления, генера- о тор гармонического сигнала соединен параллельно с вторым входом блока перемножения и первым входом первого} сумматора, а источник опорного напряжения - с вторым входом элемента сравнения.

и г

ю

VUOH

плз

Ъ

Tt 7/

в в,

е, 8,.,

в

у иг. 2