Устройство управления впрыском топлива в дизель-генератор Советский патент 1984 года по МПК F02M51/02 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к системам электронного управления топливоподачей в дизель-генераторы.

Иззвестны устройства управления впрыском топлива в дизель-генератор содержащие датчик угловой скорости, сумматор, первый и второй формирователи импульсов, схему выхода, триггер, первую и вторую схемы И, емкостной интегратор с конденсатором, первый и второй ключи, источник опорного напряжения, а также цепочку, включающую датчик мощности, дифференцирующую цепочку и вднополупериодный выпрямитель, соединенные последовательно на счетном входе триггера, прямой и инверсный выходы которого соединены с первыми входами соответственно первой и второй схем И, причем датчик угловой скорости выполнен в виде катушки, установленной вблизи вала, на котором расположен магнит, первый формирователь импульсов выполнен управляемым и вход его соединен с катушкой, а управляющая шина с выходом сумматора, схема выхода выполне;на в виде одновибратора, усилителя и электромагнитного клапана, соединенных последовательно, выходы первой и второй схем И подключены к входам ключей, так что первый выход первого и второй выход второго ключей соединены с первым и вторым входами сумматора, второй выход первого ключа связан с первым зажимом конденсатора емкостного интегратора, второй зажим которого соединен с первым входом сумматора, первый выход второго ключа связан с входом емкостного интегратора, а источник опорного напряжения связан с вторым входом сумматора l.

Известное устройство обеспечивает приближение факщческого угла опережения впрыска к оптимальному значению, при котором удельный эффективный расход топлива минимален. После окончания процесса поиска оптимального угла на установившемся режиме работы дизель-генератора устройство обеспечивает дискретношаговое изменение фактического угла опережения относительно оптимального в ту и другую стороны, так что рабочая точка агрегата колеблет я относительно оптимальной е

определенными амплитудой .и частотой. Последняя равна частоте вращения вала, так как в данном устройстве за один оборот вала проис5 ходит один цикл подачи топлива, а амплитуда указанных колебаний; пропорциональна частоте следования и длительности выходных импульсов низкочастотного генератора (кото0 рые неизменны в процессе работы

устройства), так как с ростом частоты и длительности за один оборот вала выходное напряжение интегратора получит большее (по абсолютной

5 величине) приращение, вследствие чего за один оборот вала возрастет изменение (положительное или отрицательное) угла опережения впрыска. Вследствие этого с ростом час0 тоты и длительности выходных импульсов низкочастотного генератора отклонения удельного эффективного расхода топлива от минимума возрастают, а топливная экономичность падает.

5 с другой стороны, увеличение частоты и длительности упомянутых импульсов приводит к сокращению времени поиска оптимума, т.е. к сокращению времени работы агрегата при таких

0 углах опережения впрыска, когда

удельный эффективный расход топлива существенно вьш1е MI мума, и повышению топливной эконс ичности дизельгенератора,

5 При nocTOHHCtee параметров выхоДГных импульсов низкочастотного генератора с ростом угловой скорости вала уменьшается амплитуда колебаний времени опережения впрыска относио тельно оптимальной величины, что способствует повьш1ению топливной экономичности f 1 .

Однако при этом приближение к экстремуму осуществляется за большее 5 число оборотов вала, что приводит к снижению топливной эконоьшчности агрегата. Таким образом, между параметрами выходного сигнала низкочастот: ного генератора и угловой скоростью 0 вала оптимальное соотношение, позволяющее реализовать максимум топливной экономичности агрегата, существует только на одном скоростном режиме работы этого агрегата. На ос5 тальных же режимах устройство не обеспечивает высокой топливной экономичности дизель-генератора, что является его недостатком. Другим 3 недостатком устройства является его сложность. Цель изобретения - повьппение топ ливной экономичности дизель-генератора с одновременным упрощением устройства. Указанная цель достигается тем, что в устройство управления впрыском топлива в дизель-генератор, содержащее датчик угловой скорости , сумматор, первый и второй форми рователи импульсов, схему выхода, ;триггер, первую и вторую схемы И, емкостной интегратор с конденсатором, первый и второй ключи, источник опорного напряжения, а также цепочку, включающую датчик мощности : дифференцирующую цепочку, и однополупериодный выпрямитель, соединенные последовательно на счетисм входе триггера, прямой и инверсный вых ды которого соединены с первыми вхо дами соответственно первой и второй схем И, причем, датчик угловой скорости выполнен в виде катушки, установленной вблизи вала, на котором расположен магнит, первый формирователь импульсов выполнен управляемым и вход его соединен с катушкой, а управляющая шина - с выходом сумматора, схема выхода выполнена в виде одновибратора, усилителя и электромагнитного клапана, соединен ных последовательно, выходы первой и второй схем И подключены к входам ключей так что первый выход первого и второй выход второго ключей соединены с первым и вторым входами сумматора, второй выход первого клю ча связан с первым зажимом конденсатора емкостного интегратора, вто рой зажим которого соединен с первьм входом сумматора, первый выход второго ключа связан с входом емкостного интегратора, а источник опорного напряжения связан с вторым входом сумматора, дополнительно введены двухполупериодный выпрямитель и сглаживающий фильтр, а второй формирователь импульсов выполнен управляемым, причем вход двухполупериодного выпрямителя подключе к выходу дифференцирующей цепочки, а выход - через сглаживающий фильтр связан с управляющей шиной второго формирователя импульсов, вхОд которого подключен к выходу первого фор 0А мирователя, а вьгход - к вторым входам первой и второй схем И. На фиг. 1 приведена блок-схема устройстваJ на фиг. 2 - зависимость эффективной мощности дизеля от угла опережения впрыска топлива и временные диаграммы управляющего и выходного сигналов; на фиг. 3 - изменение угла опережения впрыска топлива в функции скорости. Устройство содержит датчик 1 угловой скорости, выполненный в виде катушки 2, установленной вблизи вала 3, на котором расположен магнит 4 и сумматор 5. Вход первого формирователя 6 импульсов, который выполнен управляемым, соединен с катушкой 2, а управляющая пина с выходом сумматора 5. Выход первого формирователя 6 импульсов подключён к входу схемы 7 выхода, выполненной в виде последовательно соединённых одновибраторов 8, усилителя 9 и электромагнитного клапана 10, и.к входу второго формирователя 11 импульсов, который выполнен управляемым. Электромагнитный клапан 10 установлен на дизель-генераторе 12, эффективная мощность которого измеряется датчиком 13 мощности. Выход датчика 13 мощности через дифференцируклцую цепочку 14 связан с входами однополупериодного выпрямителя 15 и двухполупериодного выпрямителя 16. Выход однополуперйодного выпрямителя 15 соединен со счетным входом триггера 17, а выход двухполупериодного выпрямителя t6 через сглаживающий фильтр 18 связан с управляющей шиной второго формирователя 11 импульсов. Прямой и инверсный выходы триггера 17 соединены с первыми входами соответственно первой и второй схем И 19 и И 20, вторые входы которых подключены к выходу второго формирователя 11 импульсов, а выходы - к входам соответственно первого и второго ключей 21 и 22. Первый вькод первого ключа 21 и второй выход второго ключа 22 соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора 5, второй выход первого ключа 21 связан с первым зажимом конденсатора 23 емкостного интегратора 24, первый выход второго ключа 22 подключен к входу емкостного интегратора 24. Второй зажим конденсатора 23 соединен с первым входом сумматора 5, а исто ник 25 опорного напряжения подключе к второму входу сумматора 5. Устройство работает следующим об раз ой. При прохождении поршня дизеля че рез нижнюю мертвую точку магнит 4 проходит вблизи катушки 2, вследствие чего на зажимах последней возни кает импульс напряжения, поступающий на вход первого формирователя 6 Последний вырабатывает единичный прямоугольный импульс, длительность .которого определяется выражением t6 , где К - коэффициент передачи перво го формирователя 6 импульсов j и - выходное напряжение сумматора 5. По окончании указанного импульса срабатывает одновибратор 8 и его выходной импульс после усиления по мощности с помощью усилителя 9 воздействует на электромагнитный клапан 10, открьшая его. При этом происходит впрыск топлива, а угол опережения впрыска определяется следующим образом: e r-cot,, (1) где 60 Угловая скорость вала дизель-fенератора, Т - угол поворота вала за. полоборота. Предположим, что в исходном состоянии 9 0,) , чему соответствует N N (фиг, 2). При окончании выходного импульса первого формировйтеля 6 импульсов срабатьгоает также ,второй формирователь 11, на выходе которого возникает импульс длительностиЦ, где К;, - коэффициент передачи второ го формирователя 11 импуль сов; U;(g - выходное напряжение сглажи вающего фильтра 18. Указанный импульс поступает на вторые входы первой И 19 и второй И 20 схем совпадения, одна из которых открыта, а другая закрыта. Допустим, что триггер 17 находится в нулевом состоянии. Тогда открытой ока зьгеается вторая схема И 20 и выходной импульс второго формирователя 11 импульсов проходит через эту схе му на вход ключа 22. Во время действия этого импульса выходной сигнал интегратора 24 линейно нарастает и после окончания импульса опре деляется выражением где К-.- коэффициент передачи интегратора; начальное выходное напряжение интегратора 24. При этом нарастает также выходное напрягкение сумматора 5 до величины Uj Ujy+ U24 U,jj+ Uo + Kj t p где сигнап источника 25 опорного напряжения. Следовательно, к моменту впрыска топлива в следующем обороте вала напряжение на управляющей шине первого формирователя 6 импульсов возросла на величину При заходе поршня дизеля в нижнкж) мертвую точку датчик 1 угловой скорости вырабатывает импульс, первый формирователь 6 генерирует единичный импульс, по окончании которого схема 7 выхода формирует импульс впрыска топлива. В этом случае угол опережения впрыска определяется следующим образом: 9j -W t, -5 - WK(U,+ + U.). Этому углу опережения (фиг. 2) соответствуют рабочая точка сГ и мощность дизель-генератора N,.. При переходе рабочей точки из положения Q в положение cf выходной электрический сигнал датчика 13 мощности уменьшается, вследствие чего на выходе дифференцирующей цепочки 14 возникает отрицательный импульс, а на выходах вьшрямителей 15 и 16 положительные импульсы. В результате этого триггер 17 переходит в единичное состояние, вторая схема И 20 закрывается, а первая схема И 19 открывается и через нее на вход пер-. вого ключа 21 проходит выходной импульс второго формирователя 11. Ключ 21 открывается и через него происходит разряд конденсатора 23. После окончания указанного импульса выходное напряжение интегратора 24 при достаточно большом коэффициенте усиления усилителя, входящего в состав интегратора, выражается следующим образом:

U«4 (UcJ + %t| ) ехр(-Ц,/С ), где Т- постоянная времени цепи разряда конденсатора 23. В этом случае напряжение на управляющей шине первого формирователя 6 импульсов определяется равенством

Ч %+( )exp(-t /-Г X вследствие чего перед впрыском топлива в следующем обороте вала длительность выходного импульса этого формирователя выражается в виде

6 КбК-ь (Uo %К„Ь.1 ) expC-t./e).

После захода поршня в нижнюю мертвую точку и окончания указанного импульса начинается впрыск топлива, причем угол опережения впрыска оказывается равным

б X -U) K CUi5+ (Uo +

+ ,, )exp( ), т.е. становится большим, чем в предыдущем обороте вала. Предположим,

что он принимает значение 9 9 а Это означает, что за рассмотренный оборот вала рабочая точка дизельгенератора переместилась из положения S в положение О и мощность изменилась от NO .Благодаря положительному приращению мощности выходной сигнал датчика 13 мощности возрастает и на выходе дифференцирующей цепочки 14 появляется оложительный импульс. Последний роходит на вход сглаживающего ильтра 18 через двухполупериодный ., выпрямитель 16 и не проходит на

вход триггера 17 через однополупериодный выпрямитель 15. На выходе сглаживающего фильтра 18 действует постоянное по знаку напряжение, пропорциональное амплитуде выходных импульсов вьтрямителя 16 и определяющее длительность выходного импульса второго формирователя 11. Поскольку на вход триггера 17 импульс не проходит, он остается в прежнем единичном состоянии и импульс формирователя 11 проходит через открытую схему И 19 на вход первого ключа 21. Во время действия этого импульса ключ 21 открыт и конденсатор 23 разряжается, а при окончании импульса выходное напряжение интегратора 24 определяется выражением

Uo - Р ()Ч

Это приводит к соответствующему уменьшению выходного напряжения сумматора 5 и длительности выходног-о импульса формирователя 6, но к росту угла опережения подачи топлира до значения

6 1 - (Uo + )

exp ( )J. Таким образом, в течение рассмотренного оборота вала дизеля угол опережения возрос от значения в а до QJ . Это приводит к увеличению мощности дизель-генератора до величины N и возрастанию выходного сигнала датчика 13 мощности, вследствие чего дифференцирующая цепочка 14 формирует положительный импульс, Он имеет меньшую амплитуду, чем прежде, так как по мере приближения к экстремуму (точка К) крутизна кривой N(8) уменьшается и выходной сигнал дифференцирующей цепочки 14 также уменьшается. Это приводит к уменьшению напряжения на выходе сглаживакицего фильтра 18.

По окончании процесса впрыска топЛива в следующем обороте вала второй формирователь 11 импульсов, как и ранее вырабатывает единичный импульс, длительность которого меньше, чем прежде в связи с уменьшением напряжения / . Этот импульс проходит через открытзпо первую схему И 19 на вход первого ключа 21, пот

скольку возникший положительный импульс на выходе дифференцирующей цепочки 14 не изменяет состояния триггера 17 и он остается в единичном состоянии. Во время действия

импульса на входе первого ключа ,21 последний открыт и через него происходит разряд конденсатора 23. По окончании импульса на выходе интегратора 24 напряжение уменьшается до величины

(Uo + )exp(-3t:,,/r).

и

44

В результате этого уменьшается выходное напряжение сумматора 5 и длительность импульса первого формирователя 6 импульсов, а угол опережения впрыска возрастаетдо значения

- ( КвГи„ + (Uo + -I- Kj4t-« ) exp ( ).

:

Это. приводит к увеличению мощности дизель-генератора от величины Ng до появлению на выходе дифферен9. цирующей цепочки 14 положительного импульса меньшей, чем прежде амплитуды. Это,, в свою очередь, приводит к уменьшению длительности выходного импульса второго формирователя 11 импульсов и уменьшению приращения угла опережения впрыска. Далее прЬцесс повторяется. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает дискретно-шаговое приближение угла опережения впрыска к экстремальному значен1 ю (точке К, причем ступень дискретности угла опережения при этом уменьшается. Такое уменьшение Л .объясняется следующим. При постоянной ступени дискретности угла по мере приближения к экстремуму положительные приращения мощности дизель-генератора 12 и выходного сигнала датчика 13 мощности уменьшаются,- вследствие чего уменьшаются амплитуда выхрдных импульсов диффепенцирующей цепочки 14 и сигнал на выходе сглаживающего фильтра 18. Это вызывает уменьшение длительности выходного импульса второго формирователя 11 импульсов, уменьшение отрицательных приращений выход ного сигнала интегратора 24 и умень шение отрицательных приращений выходного сигнала сумматора 5. В связи с этим отрицательные приращения длительности вЬпсодного импульса пер вого фор 1ирователя 6 уменьшаются. Следовательно, если даже предположить постоянство ступени дискретности угла опережения, то приращени длительности импульса формирователя 6 уменьшается. Однако указанная длительность и угол опережения впры ка однозначно связаны зависимостью (1), из которой видно, что при умен шении отрицательных приращений длительности импульса имеют место умен шанмциеся положительные приращения угла опережения впрыска. Таким обра зом, по мере приближения к экстрему му ступень дискретности угла опережения уменьшается. На фиг. 2 переход из исходной точки а к точке осуществляется в течение семи оббротов вала. Как только рабочая точка дизельгенератора окажется справа от экстр мума и займет положение 3, мощность получит отрицательное приращение, и на выходе дифференцирующей цепочки 4 14возникает отрицательный импульс. При этом на выходах выпрямителей 15и 16 появляется положительный импульс, вследствие чего триггер 17 сбрасывается, а на выходе сглаживающего фильтра 18 действует малое по величине постоянное напряжение. В этом случае первая схема И 19 закрывается, вторая схема И 20 открывается и после окончания впрыска топлива выходной импульс второго формирователя 11 проходит на вход второго ключа 22. Последний открывается и на вход интегратора 24 поступает сигнал источника 25 опорного напряжения. При этом выходное напряжение интегратора 24 и сумматора 5 возрастает, а угол опережения впрыска топлива падает. Как только этот угол станет меньше экстремального значения, например, в Qjit , на выходе дифференцирующей цепочки 14 появится отрицательный импульс, переводящий триггер в единичное состояние. Теперь импульс поступает на вход первого ключа 21, в результате чего вьйсодные сигналы интегратора 24 и сумматора 5 уменьшаются, а угол опережения впрыска растет. По окончании импульса рабочая точка дизель-генератора занимает новое положение, например, 8. Изменение мощности от N до Ni приводит к появлению отрицательнбго импульса на выходе дифференцирующей цепочки 14 и изменению состояния триггера 17, вследствие чего угол опережения впрыска уменьшается. Далее работа устройства повторяется, и рабочая точка дизель-генератора колеблется относительно точки О с амплитудой, меньшей самой малой ступени дискретности угла опережения, имевшей место ранее (фиг. 2). В рассматриваемом устройстве соотношение мецпу частотой поисковых импульсов и частотой вращения вала оптимально на любом скоростном режиме, так как за один оборот вала происходит один цикл топливоподачи и формируется один поисковый импульс (импульс второго формирователяН), т.е. угол опережения изменяется один раз. Ступень дискрет 1ости этог.о угла минимальна вблизи экстремума и поэтому отклонение мощности дизель-генератора от максимальной, вызванное колебаниями 11 рабочей точки агрегата отроситель|но экстремума, минимальное на любом скоростном режиме. Это означает, что отклонения удельного эффективного расхода топлива-, равного отношению расхода топлива на единицу мощности в единицу времени от минимального значения, минимальны, а топливная экономичность дизель-генератора мало отличается от максимально возможной на данном режиме. Чем дальше расположена исходная, рабочая точка дизельгенератора относительно экстремаль ной на любом режиме, тем больше Ступень дискретности угла опережения впрыска и тем с большей скорос тью происходит движение этой точки к экстремуму. Это сокращает время работы агрегата йри таких углах опережения впрыска, когда удельный эффективный расход топлива существенно выше ьшнимума, т.е повышает топливную экономичность этого агрегата на любом скоростном режиме. Таким обраэом, по сравнению с известным предлагаемое устройство обеспечивает более высокую топливную экономичность дизель-генератора. Кроме того, это устройство бо04лее просто, так как содержит меньшее число элементов. Тепловозный дизель типа Д70 с гидромеханической системой подачи топлива, выбранный в качестве базового объекта, обеспечивает изменение угла опережения впрыска топлива в функции скорости по зависимости (1) на фиг. 3. Для .получения оптимальной по топливной экономичности зависимости угла опережения от скорости используют зависимость удельного эффективного расхода, топливА G в функции угла опережения впрыска на режимах тепловозной характеристики, приведенной в таблице. Для этого дифференцируют функцию G(®) и определяют углы оперёженин, при которых G G фиг. 3 кривой к, л, м, н, о представлена квазиоптимапьная (близкая к оптимальной) зависимость в (о) и замена ею зависимости (1) позволяет снизить удельный эффективный расход топлива на.2-2,5. Предлагаемое устройство о(5еспечивает в каждом режиме работы дизеля квазиоптимальные углы опереже1шя впрыска, т.е. по сравнению с базовьи объектом заметно повышает топливную экономичность.

УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР, содержащее датчик угловой скорости, сумматор, первый и второй формироBatejiK импульсов, схему выхода, триггер, первую и вторую схемы И, емкостный интегратор с конденсатором, первый и второй ключи, источник опорного напряжения, a также цепочку, вкпючакщую датчик мощности, дифференцирующую цепочку и однополупериодный выпрямитель, соединенные последовательно на счетном входе триггера, прямой и инверсный выходы которого соединены с первыми входами соответственно первой и второй схем И, причем датчик угловой скорости выполнен в виде катушки, установленной вблизи вала, на котором расположен магнит, первый формирователь импульсов выполнен управляемым и вход его соединен с катушкой, а управляющая шина - с выходом сумматора, схема выхода вьтолнена в виде одновибратора, усилителя и электромагнитного клапана, соединенных последовательно, выходы первой и второй схем И подюйочены к входам ключей так, что первый выход первого и второй выход второго ключей соединены с первым и вторым входами сумматора, второй выход первого ключа связан с первым зажимом конденсатора емкостного интегратора, второй зажим которого соединен с пер- вым входом сумматора, первый выход второго ключа связан с входом емкостного интегратора, а источник g опорного напряжения связан со вторым входом сумматора, о т л и ч a.ю щ е е с я тем, что, с целыа повьш ения топливной экономичности дизель-генератора с одновременным упрощением устройства, в него дополнительно введены двухполупериодный выпрямитель и сглаживающий фильтр, a второй формирователь импульсов выполнен управляемым, причем вход двух полупериодного вьтрямителя подключен к выходу дифференцирующей цепочки, а выход через сглаживающий фильтр связан с управляющей шиной второго формирователя импульсов, . вход которого подключен к выходу . первого формирователя, a выход .к вторым входам первой и второй схем И.