Устройство для регулирования двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1979 года по МПК F02B37/13 F02D37/00 

1

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, а именно к устройствам для совместного регулирования топливоподачи и наддува двигателя.

Известны устройства для регулирования двигателя внутреннего сгорания, содержащие орган дозирования цикловой подачи тоилива в цилиндры и снабженный задатчиком режима работы регулятор количества тонлива, подаваемого в дополнительную камеру сгорания, подключенную к газовпускному патрубку турбокомпрессора наддува и сообщенную с выхлопным коллектором и с ресивером 1.

В известном устройстве точность согласования давления наддува с режимом работы двигателя невысока.

Цель изобретения - повышение точности регулирования.

Для достижения поставленной цели задатчик режима работы подсоединен к органу дозирования цикловой подачи.

Подсоединение задатчика к органу дозирования выполнено в виде следящей системы.

Следящая система дополнительно соединена с ресивером.

Регулятор количества топлива, подаваемого в дополнительную камеру сгорания, может быть выполнен в виде дросселя, установленного в топливопроводе, а следящая система и задатчик - в виде подсоединенной к дросселю подвижной стенки, размещенной между камерами, одна из которых сообщена с источником эталонного давления, а другая с ресивером.

Источник эталонного давления может быть выполнен в виде резервуара, сообщенного с атмосферой при помощи регулируемого жиклера, подвижная игла которого

соединена с органом дозирования цикловой подачи, и дополнительно сообщенного с ресивером при помощи жиклера постоянного сечения.

Регулятор может быть также выполнен в

виде электроприводного насоса, а следящая система - в виде преобразователей положения органа дозирования цикловой подачи и величины давления наддува в сигналы изменения электрического тока в цепи его питания.

На фиг. 1 показана диаграмма режимов работы двигателя внутреннего сгорания с наддувом и с воспламенением от сжатия;

на фиг. 2 - принципиальна схема двигателя с наддувом, оборудованного устройством нодачи топлива, выполненным в виде механического насоса и с системой автоматического регулирования заданного значения при помощи пневматических элементов; на фиг. 3 - кривая, представляющая один из возможных законов изменения заданного давления в зависимости от цикловой иодачи топлива в двигатель; на фиг. 4 дан вариант системы автоматического регулирования, изображенной на фиг. 2; на фиг. 5 приведена более полная (чем на фиг. 2) схема выполнения подвижной стенки и соединение с устройством для регулирования расхода воздуха через обводную трубу; на фиг. 6,--принципиальная схема варианта системы автоматического регулирования электронного типа.

На фиг. 1 по ординате показана мощность W на валу двигателя, а по абсциссе- скорость вращения вала двигателя. Кривые работы при постоянной скорости представляют собой прямые, параллельные оси ординат, кривые работы при постоянном крутящем моменте - прямые, нроходящие через начало координат.

Возможная область работы двигателя дизеля ограничена с одной стороны факторами механической и термической прочности, а с другой,- возможностями воспламенения топлива от тепла сжатия воздуха. Соответствующие границы показаны на фиг. 1 щтрих-пунктирными кривыми, которые разделяют различные области работы рассматриваемого двигателя.

Максимальный крутящий момент, который двигатель способен развить, ограничен максимально допустимым в цилиндрах давлением: если предположить в качестве первого приближения, что величина крутящего момента не зависит от скорости, то соответствующий предел представлен -прямой 1, проходящей через начало координат. Однако, если производительность турбокомпрессора будет достаточно высокой, можно некоторую часть выхлопных газов выпускать в атмосферу и таким путем несколько увеличить крутящий момент в пределах допустимого давления.

Термическая нагрузка в критической точке двигателя (температура выхлопа или головки цилиндра, или поршня) не должна достигать величин, которые могли бы вызвать разрушение: соответствующий предел представлен в виде границы, приблизительно описываемой прямой линией 2, которая отвечает температуре выхлопа 600°С, характерной для большинства существующих реальных двигателей.

Если принять, что число оборотов ограничено не зависимо от вращающего момента, то скорость, представленная, например, для 2500 об/мин прямой линией 3, параллельной оси ординат, также служит границей возможных режимов работы.

Воспламенение топлива должно происходить также, когда вспомогательная камера сгорания находится вне работы, этому состоянию соответствует ограничивающая кривая 4. (На фиг. 1 еще приведены кривые, соответствующие различным температурам выхлопа (400 и 500°С) и различным

давлениям наддува).

Кривая 3 представляет, очевидно, абсолютный предел работы двигателя. Область ABDF или область I, заключенная внутри кривых 1, 2, 3 и 4, соответствует работе без

заметного эффекта и участия камеры сгорания, последняя находится в погашенном состоянии или же в готовности. Область ODFG или область П соответствует вступлению в работу дополнительной камеры

сгорания для того, чтобы воспрепятствовать падению давления наддува PS ниже установленного значения. Для работы в области ABC или области IV необходимо выбрасывать в атмосферу часть газов, поступающих в турбину для того, чтобы ограничить давление наддува до такого уровня, что максимальное давление сгорания в цилиндрах оставалось бы в допустимых пределах.

В области OBD или в области П1 работа возможна только при условии применения предлагаемого изобретения. В этой области необходимо воспрепятствовать тому, чтобы температура выхлопа могла превысить максимально допустимое значение. Для этого давление наддува (и количество воздуха, потребляемое двигателем внутреннего сгорания), должно находиться на уровне, достаточном для того, чтобы довести температуру выхлопа до приемлемой величины, соответствующей линии DB на фиг. 1.

Если предположить, что работе с постоянным крутящим моментом соответствует постоянная цикловая подача топлива (это

может считаться точным .лишь в первом приближении), то каждому значению цикловой подачи на фиг. 1 соответствуют пунктирные прямые типа прямой ОН. Если при работе с постоянным крутящим моментом

число оборотов двигателя уменьшается по сравнению с максимальным, соответствующим точке Я, то давление яа выходе из компрессора, которое зависит от энергии выхлопных газов двигателя дизеля, также

снижается, вследствие чего температура выхлопа возрастает, как это следует из положения линии ОН по отношению к кривым постоянной температуры выхлопа. Это изменение объясняется тем обстоятельством,

что цикловая подача топлива сохраняется, а количество поступающего воздуха снижается вместе со снижением давления наддува PS. Цель изобретения состоит в том, чтобы

добиться включения в работу дополнительной камеры сгорания с момента, когда будет достигнута точка /, соответствующая максимально еще допустимой температуре выхлопа, и воспрепятствовать продолжению падения давления наддува и росту температуры выше заданного уровня.

Таким образом, если принять, что цикловая подача топлива может считаться величиной, постоянной для данного крутящего момента, то включение в работу дополнительной камеры сгорания, а также регулирование количества топлива, подаваемого в нее, могут быть осуществлены автоматической системой регулирования, связанной с органом дозирования цикловой подачи и с давлением наддува.

Таким образом, предлагаемое устройство предназначено для того, чтобы изменять заданную величину давления наддува в зависимости от цикловой подачи топлива по закону, представленному на фиг. 3. Кривая содержит несколько характерных участков. Участок LM соответствует режиму работы мотогруппы с наддувом в области II: дополнительная камера сгорания получает питание таким образом, чтобы поддерживать давление PS на неизменной величине, которая гарантирует работу двигателя внутреннего сгорания по принципу дизеля в наиболее неблагоприятных для него условиях.

Участок МР соответствует режиму работы в областях I и III. Минимальное давление наддува (т. е. заданное значение) должно в этих областях возрастать при увеличении Qm. При некотором данном значении Qm рабочая точка может находиться в зоне между / и М (фиг. 1), в таком случае выхлопных газов двигателя достаточно .для осуществления этого условия. Она может быть также в области III (между точками Он/ фиг. 1), в этом случае имеет место увеличение расхода топлива, подаваемого в камеру сверх расхода, соответствующего состоянию готовности, чтобы пополнить энергию, создаваемую двигателем, на столько больще, на сколько происходит удаление от области I.

Участок PR соответствует области IV, в которой производительность турбокомпрессора высока, и снижается давление наддува путем выпуска в атмосферу части сжатого воздуха, т. е. участок, на котором регулирование осуществляется без участия дополнительной камеры сгорания.

Согласно схеме, показанной на фиг. 2 и выполненной на пневматических элементах двигатель 5 внутреннего сгорания снабжен механическим насосом б, у которого орган дозирования цикловой подачи топлива представляет собой зубчатую рейку 7.

Регулятор количества топлива, подаваемого в дополнительную камеру 8 сгорания, выполнен в виде регулируемого дросселя 9, устанЬвлейцогов топливопроводе 10, подающемтопливо в камеру сгорания от насоса 11. Сечение дросселя может регулироваться посредством перемещения конусного щтифта 12. Этот щтифт соединен с подвил ной стенкой 13, которая разделяет две камеры в цилиндре 14. Одна из камер 15 соединена с источником эталонного давления, а другая 16 -с ресивером 17. Источник эталонного давления представляет собой резервуар 18, сообщенный с атмосферой при

помощи регулируемого жиклера 19, подвижная игла 20 которого соединена с рейкой 7. Одновременно резервуар 18 связан с ресивером 17 при помощи жиклера 21 постоянного сечения, подключенного к каналу

22, соединяющему камеру 15 с резервуаром 18.

Разность сил давлений, действующих на подвижную стенку 13 со стороны различных камер, уравновещивается упругой силой

пружины 23. Давление в камере 15 равно давлению наддува, а давление в камере 15 зависит как от давления наддува, так и от положения подвижной иглы 20 регулируемого жиклера, связанной с органом дозирования цикловой подачи топлива. От разности давлений в камерах зависит полол ение подвижной стенки и соответственно положение конусного щтифта 12 в дросселе 9. Таким образом, подвих ная стенка и цилиндр с двумя камерами, подключенными к источникам различных значений давления, выполняют функцию задатчика режима работы регулятора количества топлива, а каналы 22 и 24, резервуар 18 и регулируемый жиклер 19 служат следящей системой, обеспечивающей соединение задатчика с органом дозирования.

Подвижная игла 20 снабжена щтоком,который при помощи пружины прижат к торцу рейки, и -при ее перемещении перемещается вместе с ним, изменяя сечение для утечки воздуха в атмосферу из резервуара 18. Путем подбора профиля иглы 20 и

щтифта 12 можно обеспечить указанный на фиг. 3 необходимый закон изменения расхода топлива.

Пневматическая следящая система имеет то преимущество, что для перестановки

иглы и щтифта не требуются дополнительные усилия, так как в качестве рабочей среды, создающей перестановочные усилия, используется давление наддува.

Подвижная игла 20 может быть обрап ена своим острием в противоположную сторону, при этом должен быть изменен порядок подключения каналов 22 и 24 к камерам 15 и 16. Для создания наддува служит турбокомпрессор, содержащий компрессор 25. подключенный к воздушному ресиверу 17 двигателя, и турбину 26, газоприемный патрубок 27, к которому подключена дополнительная камера 8 сгорания, сообщенная с

выхлопным коллектором 28 и ресивером 17

при помощи обводной трубы 29. В этой трубе предусмотрен дросселирующий орган 30.

На фиг. 5 показан один из известных вариантов выполнения этого дросселирующего органа, средств управления его полол ением и их сочетание с одним из вариантов предлагаемого устройства. Регулятор количества топлива, подаваемого в дополнительную камеру сгорания, также выполнен в виде дросселя, установленного в топливопроводе, но не в напорной ветви (фиг. 2), а в магистрали слива избыточного топлива. В качестве точки отбора воздуха под давлением принята точка, расположенная между ресивером 17 и воздухоохладителем 31. Таким путем можно избежать того, чтобы элементы системы регулирования подвергались бы воздействию воздуха, имеющего высокую температуру, сл атого в компрессоре 25. Потеря давления при прохождении воздухоохладителя очень мала (обычно 1-2%) и она не нарущает работы органов регулирования.

Возможно использование такого рещения, когда устройство питания топливом двигателя и/или дополнительной камеры сгорания имеют электронную систему управления. Электрические средства управления позволяют одновременно легко и просто ввести дополнительный параметр коррекции, как например скорость двигателя, т. е. располагать не только одной кривой, показанной на фиг. 3, а кривой, которая смещается или деформируется в зависимости от скорости двигателя.

На фиг. б представлена электрическая схема в упрощенном виде. Средства регулирования соответствуют случаю питания двигателя насосом с зубчатой рейкой. Они включают детектирующую схему, образованную мостиком Уитсона, у которого одно плечо содержит сопротивление 32, обладающее чувствительностью к значению давления наддува PS и у которого смежное плечо содержит переменное сопротивление 33. Если предположить, что величина сопротивления 33 должна быть пропорциональна цикловой подаче топлива в цилиндры, то достаточно присоединить ползунок этого сопоотивления к зубчатой рейке насоса.

Концы диагонали этого мостика соединены посредством сопротивлений 34 и 35 с входами дифференциального усилителя 36, который таким образом выдает выходное напряжение, пропорциональное напряжению неравновесия мостика, т. е. оазности между установленным значением (соответствующим величине сопротивления 33) давления наддува и реальным значением этого давления, котооое соответствует величине сопротивления 32, которое может быть выполнено в виде прибора для измерения напряжений.

Сигнал с выхода дифференциального усилителя 6 который,представляет собой величину несоответствия, подается на генератор 37 напряжения, обладающий достаточной динамикой. Выход 38 генератора подключен к преобразователю 39 напряжение-частота, который питает двигатель 40 электроприводного объемного насоса 41 электрическим током постоянной силы, но с переменной частотой, изменяющейся по закону следующего типа: , где

и-напряжение.

Электроприводной насос развивает таким образом производительность, пропорциональную частоте, электрического тока в цепи его питания, колеблющуюся между

некоторым минимальным значением, соответствующим режиму нахождения камеры в состоянии готовности (когда частота равняется ) и максимальным значением, соответствующим наиболее неблагоприятным

условиям работы.

Действие этого устройства сказывается немедленно: если зубчатая рейка насоса находится в таком положении, для которого давление наддува недостаточно, то напряжение несоответствия, приложенное к генератору 37, увеличивает выходное напряжение этого последнего, вызывает тем самым увеличение производительности, подаваемой насосом 41 до тех пор, пока давление наддува не достигнет величины, соответствующей установленному необходимому значению, и мостик не приходит вновь в равновесие. Наоборот, если давление наддува становится больше заданного значения, то

генератор напряжения получает импульс несоответствия противоположного направления до тех пор, пока его выходное напряжение не придет к такой величине, при которой производительность насоса достаточна для того, чтобы давление наддува было бы равно требуемому заданному значению, за исключением того случая, когда вспомогательная камера сгорания уже возврати.лась в режим готовности к действию,

а давление наддува все еще продолжает превышать заданную величину.

Таким образом, сопротивления 32 и 33 служат преобразователями положения органа дозирования цикловой подачи и величины давления наддува в сигналы изменения электрического тока в цепи 37-38- 39-40 питания электроприводного насоса и выполняют функцию следящей системы, а сам насос, вследствие того, что его производительность изменяется при изменении

оборотов, служит регулятором количества

топлива, подаваемого в дополнительную камеоу сгорания.

Предположим, что двигатель работает

вначале ппи малой нагрузке и на малой скооости. В этом случае управляемый оператором регулятор скорости удерживает упор зубчато-й рейки в таком положении, .при котором :Цикло1вая подача топлива далека от максимальной. .Если необходимо

увеличить скорость, то перемещают регулятор и зубчатую рейку с упором в направлении увеличеиия расхода (на фиг. 2 вправо). Зубчатая рейка перемещает подвижную иглу 20 вправо против действия возвратной пружины. Давление в камере 15 возрастает, конусный щтифт 12 приподнимается и тем самым увеличивает проходное сечение для пропуска топлива в камеру 8 и его расход. Турбокомпрессор быстро набирает скорость и повышает давление наддува До величины, необходимой для предотвращения перегрева двигателя.

По мере возрастания этого давления наддува также повышается и дифференциальное давление, которое воздействует на стенку 13 и стремится сократить сечение . для -прохода топлива.

После того как намеченная скорость будет достигнута, зубчатая рейка устанавливается в новой позиции, соответствующей новому заданному значению давления наддува, и количество топлива для питания камеры 8 автоматически снижается до тех пор, пока давление наддува не будет приведено к заданной величине.

Из-за малой инерции турбокомпрессоров их вхождение в режим происходит быстро, так что двигатель работает не более, чем несколько циклов при впрыскиваемом количестве, которое превосходит количество, соответствующее существующему давлению наддува. Эвентуально имеющееся несгоревшее топливо проходит из коллектора 28 выхлопных газов в камеру сгораиия и догорает, что ускоряет набор скорости компрессором 25.

Если неизбежно, чтобы необходимое давление наддува было установлено до возрастания количества топлива, впрыскиваемого в двигатель в течение одного цикла, то достаточно воздействовать на подвижную иглу 20, но не посредством зубчатой рейки, а с помощью органа ее регулирования, вставляя между этим органом и зубчатой рейкой амортизатор.

Таким образом, каков бы ни был принятый тип исполнения, структура и функция предлагаемого устройства отличны от принятых ранее в системах защиты двигателей дизеля с наддувом и со вспомогательной камерой сгорания. Эту систему можно рассматривать как систему принудительного увеличения наддува посредством ввода в действие вспомогательной камеры в случае возрастания количества топлива, поступающего к двигателю в течение цикла (которое является представительным для требуемого от двигателя момента вращения), систему, которая действует только в случае ;5еобходимости. Это избавляет от решения

выбора или са.мого низкого значения давления наддува, что вынуждало отказываться от использования части областей режима работы, или высокого значения минимальной величины, что приводило к излишнему потреблению топлива вспомогательной камерой сгорания и к существенному снижению КПД.

Формула изобретения

10

1. Устройство для регулирования двигателя внутреннего сгорания, содержащее орган дозирования цикловой подачи топлива

в цилиндры и снабженный задатчиком режима работы регулятор количества топлива, подаваемого в дополнительную камеру сгорания, подключенную к газовпускному патрубку турбокомпрессора наддува и сообщенную с выхлопным коллектором и с ресивером, отличающееся тем, что, с целью повышения точности регулирования, задатчик режима работы -подсоединен к органу дозирования цикловой подачи.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подсоединение задатчика к органу дозирования выполнено в виде следящей системы.

3.Устройство по п. 2, отличающееся тем, что следящая система дополнительно

соединена с ресивером.

4.Устройство по пп. 1-3, отличающееся тем, что регулятор выполнен в виде дросселя, установленного в топливопроводе, а следящая система и задатчик - в виде подсоединенной к дросселю подвижной стенки, размещенной между камерами, одна из которых сообщена с источником эталонного давления, а другая - с ресивером.

5- Устройство по п. 4, отличающееся тем, что источник эталонного давления выполнен в виде резервуара, сообщенного с атмосферой при помощи регулируемого жиклера, подвижная игла которого кинематически соединена с органом дозирования цикловой ПОдачи, и дополнительно сообщенного с ресивером при помощи жиклера постояниого сечения. 6. Устройство по пп. 1-3, отличающ е е с я тем, что регулятор количества топлива, подаваемого в дополнительную камеру сгорания, выполнен в виде электроприводного насоса, а следящая система - в виде преобразователей положения органа дозирования цикловой подачи и величины давления наддува в сигналы изменения электрического тока в цепи его питания.

Источники информации, принятые во вниманир пои экспертизе

1. Патент Швейцарии №565940, кл.Р 02 В 37/02, опублик. 1972,

2500

ъыг

Фиг., г

Риг.З

Л24-