Система регулирования угла опережения впрыска топлива в дизель с наддувом Советский патент 1984 года по МПК F02D5/02 

Изобретение относится к двигател строению, преимущественно к Система регулирования топливоподачи дйзе-. лей. Известны систейы регулирования угла опережения впрыска топлива в дизель с наддувом и топливоподающей cиcteмoй, включающей топливовпрыски вающую форсунку и насос высокого да ления, состоящий из плунжерного акк мулятора, топливоподкачивающего насоса и регулятора частоты вращения, содержащие акселерометр, дифференциатор, сервомотор, формиру щий распределитель и блок управления, включающий источник опорного напряжения,сумматор и преобразовател напряжение-интервал времени, связанные последовательно, причем аксе лерометр связан с валом дизеля и подключен к первому входу сумматора через дИс)ференциатор, а к второму входу - непосредственно, выход прео разователя напряжение-интервал времени связан с форсункой последовательно через сервомотор и формируюирй распределитель, подключенный к регулятору частоты вращения и плунжерному аккумулятору. Известная система обеспечивает поиск и поддер жание близких к оптимальным по мощности двигателя углов опережения впрыска топлива и обладает высокими точностью и быстродействием Ги . Однако если двигателем внутреннего сгорания является дизель с наддувом, то оптимизация угла опере жения, с целью получения максимальной мощности, допустима не на всех режимах работы агрегата. На близких к номинальному и номинальном режимах такое регулирование приводит повьшению максимального давления сг рания сверх допустимого уровня, что непозволительно из соображений тепломеханической напряженности деталей цилиндропоршневой- группы и сниж ет надежность его работы. Цель изобретения - повышение надежности работы дизеля с наддувом на близких к номинальному и номинальном режимах. Указанная цель достигается тем, что система регулирования угла опережения впрыска топлива в дизель с наддувом и топливоподающей системой включакмцей топливовпрыскив ощую фор сунку и насос высокого давлегшя, со стоящий из плунжерного аккумулятора, тогативоподкачивающего насоса и регулятора частоты вращения, содержащая акселерометр, дифференциатор, сервомотор, формирующий распределитель и блок управления, включающий источник -опорного напряжения, сумматор и преобразователь напряжение-интервал времени, связанные последовательно , причем акселерометр связан с валом дизеля и подключен к первому входу сумматора через дифференциатор, а к второму входу - непосредственно, выход преобразователя напряжение-интервал времени связан с форсункой последовательно через . сервомотор и формирующий распределитель, подключештый к регулятору частоты вращения и плунжерному аккумулятору, в систему дополнительно включены датчик максимального давления сгорания в цилиндре, пороговый элемент, схема И и первый и второй элементы сравнения, причем выход датчика максимального давления подключен параллельно к суммирующему входу первого элемента сравнения и ходу порогового элемента, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами схемы И, выход которой связан с вычитающим входом второго элемента сравнения, а третий вход - с выходом преобразователя напряжение-интервал времени, связь которого р сервомотором выподнена через суммирующий вход второго элемента сравнения. На фиг. 1 приведена блок-схема системы автоматического регулирования угла опережения впрыска топлива в дизель; на фиг. 2 - графики изменения угла опережения Q j, от угловой частоты вращения вала di , где кривой Л показана исходная характеристика, а кривой В - оптимальная, получаемая данной системой. Система содержит акселерометр J, выход которого через дифференциатор 2 связан с первым входом блока 3 управления и непосредственно подключен к второму входу этого блока, причем указанные входы размещены в сумматоре 4, выход которого соединен с входом преобразователя 5 напряжение-интервал времени. Третий вход сумматора 4 подключен к источнику 6 опорного напряжения блока 3 управления и вычитающему входу пер3вого элемента 7 сравнения, суммирующий вход которого соединен с датчиком 8 максимального давления сгорания в цилищфе и входом порого вого элемента 9. &1ходы первого эле мента 7 сравнения и порогового элем та 9 подключены соответственно к пе вому и второму входам И 10, а выход преобразователя 5 напряжени интервал времени, являющийся выходо блока 3 управления) соединен с третьим входом И 10 и суммиру щим входом второго элемента 11 срав ния. Вычитакиций вход последнего под ключен к выходу И 10, а выход через сервомотор 12 связан с пе вым входом формирующего распределителя 13, подключенного к топливовпрыскивающей форсунке 14. Входы фор мирующего распределителя 13 связаны также с топливнымнасосом 15 высоко го давления, который включает в себя топпивоподающий насос 16, вход кото рого соединен с входом акселерометра I и коленчатым валом 17 дизеля, регулятор 18 частоты вращения, связанный с насосом 16 и выходом подклю чешшй к второму входу формирующего распределителя 13, и плунжерный аккумулятор 19, связанный с топливоподакицим насосом 16 и третьим входом формирующего распределителя 13. Акселерометр 1, последовательно соединенный с дифференциатором 2, блоком 3 управления, вторым элементом 11 сравнения, сервомотором 12, первым входом формирующего, распределителя 3 и топлиВОВпрыскивающей форсункой 14 образуют контур оптимизации угла опережения впрыска по мощности на тех режимах работы дизеля, где максимальное давление его рання много ниже допустимого уровня. На остальных режимах, де максимальное давление сгорания близко к допустимой величине {.Pg г J кроме вышеуказанных элементов, в ко тур оптимизации угла опережения с учетом РЛ входят датчик 8, первый элемент 7 сравнения, пороговьй элемент 9 и схема И 10. Топливоподающий насос 16 обеспечивает дозирование и нагнетание топ лива а плунжерный аккумулятор 19. Плунжерный аккумулятор 19 аккумулирует цикловую подачу топлива и при открывании отверстия формирующего 99 распределителя 13 выталкивает ее через форсунку 14 в цилиндр дизеля. Регулятор 18, частоты вращение автоматически стабилизирует заданную частоту вращения коленчатого вала 17 дизеля. Акселерометр 1 безынерционного типа измеряет величину и знак углового ускорения коленчатого вала. Блок 3 управления - у.стройство, позволяющее с помощью сумматора 4 суммировать и усиливать входящие в него сигналы, а с помощью преобразователя 5 - преобразовывать сигнал в импульс постоянной амплитуды, длительность которого пропорциональна величине входного сигнала. Источник 6 опорного напряжения вырабатывает постоян1й.1й по знаку сигнал, величина которого также пастоянна и пропорциональна значению давления Р , несколько меньщ го допустимого уровня Р Сервомотор 12 интегрирует и усиливает выходной сигнал второго элемента 11 сравнения. Формирующий распределитель 13 - устройство, позволяющее совместно с плунжерным аккумулятором 19 формировать закон цикловой подачи и угол опережения впрыска топлива, а также направлять топливо к форсунке 14 (.гидромеханического типа с пружинным запиранием иглы р аспьшителя) , Система работает следующим образом. Когда дизель работает на неноминальных режимахi при которых Pg Р топливо из бака подводится к тогшивоподающему насосу 16. Насос 16 .отмеряет цикловую подачу топлива, величина которой устанавливается регулятором I8 частоты вращения в соответствии с режимом работы дизеля и нагнетает ее в плунжерный аккумулятор 19 под высоким давлением. Далее цикловая подача топлива подводится к формирукщёму распределителю 13, который в соответствии с выходным сигналом регулятора 18 формирует закон впрыска, устанавливает угол опережения и направляет топливо к форсунке 14. Акселерометр I подает сигнал углового ускорения одновременно на вход сумматора 4 и на вход дифференциатора 2, с выхода которого напряжение поступает на первый вход сумматоpa 4. На третий вход последнего и н вычитающий вход первого элемента 7 сравнения подается сигнал Ug от источника 6 опорного напряжения, вели чина которого пропорциональна давле нию сгорания, несколько меньшему допустимого уровня и К. Р 6 i .гдеKg - коэффициент пропорциональности. Выходной сигнал сумматора 4 (U) подается на вход преобразователя 5, который формирует прямоугольный импульс постоянной амплитуды U длительностью С , пропорциональной величине выходного напряжения сумматора , где К у - коэффициент пропорциональности. Указанный импульс подается на третий вход схемы И 10 и. суммирукяций вход второго элемента 11 сравнения. Поскольку пороговый элемент 9 срабатывает при максимальном давлении сго рания, равном PJI , то в рассматривае мом диапазоне режимов работы дизеля на выходе этого элемента действует, нулевой сигнал, вследствие чего схема И 10 закрыта и на ее выходе присутствует также нулевой сигнал. Благодаря этому выходной импульс преобразователя 5 проходит на вход сервомотора 12 без всяких изменений, где он интегрируется, усиливается и подается на вход формирующего распределителя 13. Щэедположим, что эти импульсы положительные . Сервомотор 12 интегрирует положительные импульсы и воздействует на формирующий распределитель 13, который обеспечивает увеличение угла опережения впрыска. Если такое изменение угла лриближает его к оптимальному по мощности значению то при каждом цикле изменения этого угла мощность дизеля получает положительные приращения, вследствие чего ускорение вала 17 также поло жительно. Благодаря этому на первый и второй входы сумматора 4 подаются положительные сигналы. По мере приближения к оптимальному углу опе1)еже ния впрыска приращения этого угла вызывают все меньшие положительные приращения мопщости дизеля и все меньшие ускорения вала, в результате чего амплитуда положительных сигналов на первом и втором входах сумматора 4 уменьшается, вызывая умень,шение длительности выходных импульсов преобразователя 5. Последнее, в свою очередь, приводит к уменьшению угла опережения впрыска, приближая его к оптимальному значению. Как только угол опережения превысит оптимальную величину, мощность дизеля уменьшается, вращение вала замедляется, на выходах акселерометра 1 и дифференциатора 2 возникают отрицательные сигналы, вызывающие появление на выходе-преобразователя 5 отрицательных прямоугольных импульсов. Последние поступают на сервомотор 12, который интегрирует эти отрицательные импульсы. Выходное воздействие сервомотора 12 подается на формирующий распределитель 13, который обеспечивает уменьшение угла опережения впрыска, который станет меньше оптимального, мощность дизеля станет меньше максимальной, что приведет к замедлению вала 17., При этом на входах сумматора действуют сигналы с выходов акселерометра 1 и дифференциатора 2, в соответствии с которыми преобразователь 5 вырабатывает прямоугольные импульсы, поступающие через второй элемент 11 сравнения на сервомотор 12. Последний усиливает и интегри- рует эти импульсы. Под воздействием выходного сигнала сервомотора 12 формирующий распределитель 13 обеспечивает увеличение угла опережения впрыска. По мере роста последнего мощность дизеля растет и работа системы продолжается аналогично вьш1еизложенному. Таким образом, за несколько циклов колебаний система устанавливает оптимальный угол опережения впрыска топлива, оценивая евои действия на дизель по изменению его мощности на основании контроля углового ускорения (замедления) вала 17. При достижении оптимального значения фазы начала топливоподачи .устанавливаются симметричные колебания угла опережения впрыска относительно оптимума. При изменении скоростного или нагрузочного режимов работы дизеля регулятор 18 обеспечивает основную установку угла опережения впрыска топлива. Для нахождения оптимальног значения угла опережения впрыска топлива (для каждой основной устано ки ) блок 3 управления посылает поис ковые сигналы через элемент I1 срав .нения и сервомотор 12 на формирующий распределитель 13. Таким образом, в режимах, при ко торых Р Pj , работа предлагаемой системы не отличается от работы прототипа. Рассмотрим теперь работу системы когда дизель работает на номинально и близких к нему режимах, при которых Р, i. Р, Рг ., io 1 Поскольку пороговый элемент 9 срабатывает при Р - , в рассматриваемом диапазоне режимов работы дизеля схема И 10 открыта и на вычи тающий вход второго элемента 11 поступает сигнап с выхода первого эле мента 7 сравнения. На суммируюнщй вход последнего поступает сигнал, пропорциональный максимальному давлению сгорания в цилиндре, а на вычитающий вход - сигнал с источника 6 опорного напряжения, пропорцио нальный величине максимального давления сгорания Р . Следовательно, на вычитающий вход элемента 11 срав нения Проходит сигнал, пропорциональный разности давлений Р -Р причем этот сигнал представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, длительность и фаза которых совпадают с длительностью и фазой соответственно выходных импульсов преобразователя 5. В связи с этим на выходе второго элемента сравнения появляются прямоугольные импульсы длительностью и амплитудой 11 %- Ч (Рг - IV). Таким образом, входной сигнал сервомотора 12 зависит не только о приращений мощности дизеля, как в ранее рассмотренном случае, но и о разности фактического и заданного давлений сгорания. При возрастании угла опережения впрыска величина Р растет, вследствие чего амплитуд сигнала на входе сервомотора 12 уменьшается и указанное возрастание ослабевает. Если для достижения опт мума по мощности угол опережения впрыска увеличивается благодаря работе контура оптимизации (акселерометр 1, дифференциатор 2, блок 3 управления, второй элемент 11 сравнения, сервомотор 12, первый вход формирующего распределителя 13 и топливовпрыскивающая форсунка 14), максимальное давление сгорания увеличивается и далее, а амплитуда входного воздействия на сервомотор 12 уменьшается. Как только максимальное давление сгорания сравняе тся с допустимым уровнем (Р Р ., ) амплитуда сигнала на выходе первого элемента 7 сравнения достигнет амплитуды выходных импульсов преобразователя 5, вследствие чего на суммирующем и вычитающем входах второго элемента 11 сравнения окажутся сигналы с одинаковыми параметрами. Благодаря этому на вход сервомотора 12 сигналы не поступают и угол опережения впрыска остается неизменным несмотря на то, что с выхода преобразователя 5 поступают поисковые сигналы. При изменении режима работы дизеля, приводящем к уменьшению Р в упомянутом вьппе диапазоне амплитуда выходных.импульсов И 10 уменьшаетсл, сигнал на входе сервомотора 12 имеет уже ненулевое значение ( как это было при Р Р „„) и система отыскивает оптимальный угол опережения благодаря работе контура оптимизации в соответствии с вышеизложенным. В случае, если оптимальное по мощности значение угла опережения имеет место при Pj Рглоп то по мере приближения фактического угла опережения к оптимуму уменьшаются и длительность, и амплитуда импульсов на входе сервомотора 12, причем амплитуда отлична от нуля, а длительность принимает нулевое значение при совпадении фактическо-, го угла опережения с оптимальным.. Таким образом, по сравнению с известными предлагаемая система обеспечивает ограничение максимального давления сгорания на требуемом уровне и повышение надежности работы дизеля с наддувом на номинальном и близком к нему режимах благодаря регулированию угла опережения впрыска в зависимости не только от мощности дизеля, но и разности фактического и заданного давлений сгорания и его цилиндре. В качестве базового объекта выбрана гидромеханическая система под чи топлива, которой оснащен теплово ный дизель типа Д 70, На фиг.2 кривой А представлена зависимость угла опережения впрыска топлива от угловой скорости вала, обеспечиваемая сисфемой топливоподачи указанного дизеля. Исследования показыванут, чт эта зависимость существенно отличается от оптимальной по топливной эк номичности зависимости. Для получен близкой к оптимальной (квазиоптимал нрй) по топливной экономичности зависимости угла опережения от скорое ти используют приведенную в табл. зависимость удельного эффективного расхода топлива G и приведенную в табл. 2 зависимость максималь ного давления сгорания Р в функции угла опережения впрыска на различных режимах тепловозной характеристики. После шсленного дифференцирования функции Q (Cll определяют значения углов опережения, при которых удельный расход tonnHBa минимален с ограничителем Р. На основании этого получают квазиоптимальную по топливной экойомичности зависимость угла опережения от скорости, представленную кривой 9 (db с die) на 4иг. 2. Сравнение этой зависимости с серийной (график А на фиг.2.) с учетом данных табл.1 показывает, что за счет регулирования угла опережения на частичных режимах можно повысить топливную экономичность дизеля на 2-2,5%. Предлагаемое же устройство как раз и обеспечивает На каждом режиме дизеля оптимальные углы опережения впрыска, т.е. по сравнению с базовым объектом заметно повышает топливную экономичность. Следует отметить, что местоположение кривой А определяется угловым положением кулачка топливного насоса и выбирается таким, чтобы максимальное давление сгорания на номинальном режиме работы не превышало допустимой величины. В то же время на режимах, близких к номинальному, Р может превышать допустимей уровень. В отличие от этого устройство обеспечивает условие РЗ i Р , на с: ь QOri любом режиме дизеля. IТаблица 1.

СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ВПРЫСКА ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЬ С НАДДУВОМ и топливоподающей системой , включающей топпивовпрыскивающую форсунку и иасос высокого давления, состоящий из плунжерного аккумулятора, топливоподкачивающего насоса и регулятора частоты вращения, содержащая акселерометр, дифференциатор, сервомотор, формирующий распределитель и блок управления, включающий источник опорного напряжения, сумматор и преобразователь напряжение-интервал времени, связанные последовательно, причем акселерометр связан с валом дизеля и подключей к первому входу сумматора через дифференциатор, а к второму входу непосредственно, выход преобразователя напряжение-интервал времени связан с форсункой последовательно через сервомотор и формирующий распределитель , подключенш 1й к регулятору частоты и плунжерному аккумулятору, отличающаяся тем, что, с целью повыщения надежности работы дизеля с наддувом на близких к номинальному и номинальном режимах, в систему дополнительно включены датчики максимального давления сгорания в цилиндре , пороговый элемент, схема И н первый и второй элементы сравнения причем выход датчика максимального 3 давления подключен параллельно к суммирующему входу первого элемен-, та сравнения и входу порогового элемента, выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами cxei И, выход которой связан с вычитающим входом второго элемента сравнения, а третий вход - с выходом преобразователя напряжениеинтервал времени, связь которого с сервомотором выполнена через суммирующий вход второго элемента сравнения . со ;о

232,4

232

259

215,8

215

220,5

Действительныйугол опережениявпрыска Q рад

Таблица 2