Устройство управления впрыском топлива Советский патент 1981 года по МПК F02N3/00 

(54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА

. .... - Изобретение относится к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сго раиия, а также к электронным системам управления топливной аппаратурой. Известны устройства управления впрыском топлива содержащее датчик угловой скорости вала двигателя, неуправляемьй формирователь импульсов, триггер, реверсивный счетчик, схему И, генератор импульсов и блок выхода схемы Hjпричем датчик угловой скорости выполнен в виде первой и второй катушек-, установленных у вала-, и постоянного магнита, размещенного, на валу, причем, вторая катушка через неуправляемый формирователь связана со входом триггера для установки его в нулевое состояние, прямой и инверсный выходы триггера соединены соответ ственно с шинами сложения и вычитания реверсивного счетчика, прямые выходы двоичных ячеек которого подклю чены ко входам схемы И f.l 3Известные устройства имеют недос таток, состоящий в том, что реализуе мый им линейный закон изменения угла опережения впрыска в функции угловой скорости вала часто не позволяет получить на каждом скоростном режиме при заданных значениях длительности впрыска и параметрах засасьшаемого воздуха максимальную мощность дизеля, так как максимумы кривых зависимости .эффективной мощности от угла опережения впрыска при фиксированные значениях скорости в большинстве случаев лежат не на прямой линиИ| а на кривой. Кроме того, при неизменном скоростном режиме работы дизеля угол опережения впрыска постоянен независимо от нагрузки, что также является недостатком устройства. Эти недостатки связаны с постоянством длительности выходного импульса формирователя, связанного с входом триггера для установки его в единичное состояние, и отсутствием обратной связи деземощности или загрузке Цель изобретения - повышение эффективности. Указанная цель достигается тем, что в устройство дополнительно введе ны управляемый фор1 шрователь импульсов, датчик мощности, генератор гармонического сигнала, источник опорного напряже.ия, фазосдвигакнцее устройство и схема преобразования, выполненная в виде фильтра, блока перемножения, интегратора и сумматора, соединенных последовательно и включенных между датчиком мощности и источником опорного напряжения, причем генератор гармонического сигнала под ключен через фазосдвигающее устройство к -блоку перемножения, и непосре ственно - к сумматору, связанному с управляемым формирователем импульсов прямой выход которого соединен со входом триггера для установки его в единичное состояние, а инверсный с шиной сброса в нулевое состояние счетчика, вход которого связан с генератором импульсов. i На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 зависимость эффективной мощности дизеля угла опережения впрыска топлива и временные диаграммы управляющего и выходного сигналов. Устройство содержит датчик 1 угловой скорости вала 2 двигателя, выполненный в виде двух катушек 3 и 4, установленных у вала, и постоянного магнита 5, размещенного на валу 2. Катушка 3 подключена ко входу управляемого формирователя 6 импульсов, прямой выход которого соединен со входом триггера 7 для установки его в единичное состояние, а инверсный - с шиной сброса в нулевое состояние реверсивного счетчика 8. Кату ка 4 через неуправляемый формирователь 9 импульсов связана со входом триггера 7 для установки его в нулевое состояние. Выход генератора 10 импульсов подключен ко входу реверсивного счетчика 8. Прямые выходы двоичных ячеек реверсивного счетчика 8 подключены ко входам схемы ИИ Выход схемы И 11 подключен ко входу .одновибратора 12, выход которого через усилитель 13 связан с электромагнитным клапаном 14 дизель-генера4торп 15. Выход д.ггчика 16 могииостн дизель-генератора 15 черем фильтр 17 связан.с первым входом блока 18 перемножения. Выход геиерато.ра 19 гармонического сигнала подключен к первому входу сумматора 20 и через фазосдвигающее устройство 21 связан со вторым входом блока 18 перемножения. Выход блока 18 перемножения через интегратор 22 связан со вторым входом сумматора 20. Третий вход сумматора 20 подключен к источнику 23 опорного напряжения, а выход - к управляющей шине управляемого формирователя 6 импульсов. Ус;тройство работает следующим образом. Рассмотрим вначале работу устройства при отсутствии генератора гармонического сигнала. Предположим, что при вращении вала 2 поршень проходит через верхнюю мертвую точку. В этом случае магнит 5 проходит вблизи катушки 3 и на ее зажимах вследствие изменения пронизывающего ее витки магнитного потока возникает импульс напряжения, поступающий на вход управляемого формирователя 6 импульсов. На прямом выходе управляемого формирователя 6 импульсов появляется единичньш импульс, длительность которого является заданием времени опережения впрыска и определяется величиной напряжения на управляющей .шине этого формирователя. Так как генератор 19 гармонического сигнала пока из схемы исключен, на выходе сумматора 20 сигнал равен сумме выходных напряжений интегратора 22 и источника опорного сигнала 23, выходной сигнал фазосдвигающего устройства 21 равен нулю, выходной сигнал блока 18 перемножения также равен нулю, а выходной сигнал интегратора 22 постоянен во времени. При этом сигнал на выходе сумматора 20 постоянен во времени и длительность выходного импульса управляемого формирователя 6 импульсов постоянна, т.е. постоянно задание времени опережения впрыска. Одновременно с единичным сигналом, действующим на прямом выходе управляемого формиройателя 6 импульсов и устанавливаю1дим триггер 7 в единичное состояние, на инверсном выходе этого формирователя действует нулевой сигнал, сбрасывающий реверсивный счетчик 8 в нулевое состояние. После окончания дейстнпя нулевого сигнала на шине сброса в нулевое состояние реверсивного счетчика 8 начинается запись информации в этот счетчик, который уже переведен в режим сложения единичным сигналом с прямого выхода триггера 7, с генератора 10 импульсов. Запись информации продолжается до момента . прихода поршня дизеля в нижнюю мертвую точку. Когда поршень проходит через эту точку, магнит 5 проходит вблизи катушки 4; так как вал првора чивается на полоборота. При этом вследствие изменения магнитного потока, пронизывающего витки катушки 4, и ее зажимах появляется импульс напряжения, поступающий на вход неупр авля емо г о фо рмир ов ат еля 9 импульсов. Единичный импульс неуправ ляемого формирователя 9 импульсов устанавливает триггер 7 в нулевое состояние, а единичный сигнал с инверсного выхода триггера 7 переводит реверсивный счетчик 8 в режим вычитания. При движении поршня двигателя из нижней мертвой точки в верхнюю происходит считывание ранее записанной в реверсивный счетчик 8 информации импульсами той же частоты следования, что и запись. При полном считывании информации все разряды ревер сивного счетчика 8 оказываются в нулевом состоянии и на всех входах схемы И 11 появляются нулевые сигнал На выходе схемы И 11 сохраняется нулевой сигнал, который присутствова и ранее вследствие действия хотя бы на одном входе этой схемы нулевого сигнала. При поступлении следующего импульса с выхода генератора .10 импульсов на вход реверсивного счетчик В все разряды его переходят в единич ное состояние, на всех входах схемы И 11 одновременно появляются единичные сигналы, вследствие чего на выхо де этой схемы также появляется едини ный сигнал. С приходом следующего импульса на вход реверсивного счетчи ка 8 его младший разряд переходит в нулевое состояние, на одном из вхо- дов схемы И I 1 единичньш сигнал исчезает, вследствие чего исчезает еди ничный сигнал и на выходе этой схемы Возникший на выходе схемы И 11 единичный импульс передним фронтомопрокидывает одновибратор 12, формирующий импульс, длительность которог определяет длительность впрыска топлива. После усиления по мощности уси 56 лителем 13 импульс подается на обмотку электромагнитного клапана 14 открывая его. Происходит .впрыск топлива в цилиндр дизель-генератора 15. По окончании указанного импульса впрыск топлива прекращается. Поскольку запись и считьшание информации в реверсивном счетчике 8 осуществляются импульсами одной частоты следования, время записи некоторого числа равно времени .его считывания. Так как единичный импульс на выходе схемы И 11 появляется не в момент полного считывания числа в реверсивном счетчике 8, а на промежуток времени, равный периоду следования импульсов генератора 10 импульсов, позже, то интервал времени от момента окончания выходного импульса управляемого формирователя 6 импульсов до момента начала выходного импульса неуправляемого формирователя 9 импульсов (момента прихода поршня в нижнюю мертвую точку, равный времени записи, оказывается на величину периода следования выходных импульсов генератора 10 импульсов меньше, чем интервал времени от момента прихода поршня внижнюю мертвую точку до момента начала впрыска топлива. Поэтому если в пределах одного оборота вала 2 его угловая скорость постоянна, что соответствует равенству интервалов времени движения поршня из верхней мертвой точки в нижнюю и обратно, то фактическое время опережения впрыска, равное разности полупериода вращения вала 2 и промежутка времени от момента прихода поршня в нижнюю мертвую точку до мо.мента начала впрыска, на величину периода следования выходных импульсов генератора 10 импульсов кеньше заданного времени опережения, равного разности полупериода вращения вала 2 и времени записи в реверсивный счетчик 8. Поскольку заданное время опережения впрыска, равное длительности выходного импульса-управляемого формирователя 6 импульсов, и частота выходных импульсов генератора 10 импульсов постоянны, то фактическое время опережения впрыска также постоянно. Фактический же угол опережения, равный произведению фактического времени опережения впрыска на угловую скорость, изменяется по линейному закону в функции угловой скорости вала 2. Рассмотрим теперь работу устройства при наличии генератора 19 гармонического сигнала. Пусть выходной сигнал генератора 19 гармонического сигнала изменяется по закону Vj. Vjj. S i п ц; t, где VQ - амплитуда сигнала, Ш- круговая .частота сигнала, t - время. Тогда напряжение на управляющей шине управляемого формирователя 6 импульсов, равное вьуодному напряжению сумматора 20, определяется таким выражениемVj.. V + V + Vosin CW t, Поскольку длительность выходного импульса управляемого формирователя 6 импульсов пропорциональна напряжению на его управляющей шине, из последнего выражения следует, что эта длительность колеблется с частотой tjf в соответствии с напряжением VQ-sin tftj t относительно средней величины, определяемой слагаемым Vy, + + Vj. Так как задание времени опережения впрыска является длитeльнocтьto выходного импульса управляемого формирователя 6 импульсов, а задание угла опережения впрыска - произведением задания угла опережения на .угло вую скорость вала 2, то задание угла опережения впрыска в установившемся скоростном режиме дизель-генератора 15 также изменяется в соответствии с компонентами последнего.выражения Предположим, что в данный момент вре мени напряжение на выходе сз мматора 20 оказалось таким,-что задание угла опережения впрыска равно в . На фиг. 2 кривая АаЬсВ изображает завис мость эффективной мощности дизеля от угла опережения впрыска топлива, этому случаю соответствует точка а. Абсцисса точки а определяется суммой выходных напряжений источника 23 опо ного сигнала и интегратора 22, ордината точки а определяет среднюю эффе тивную мощность дизеля при данно значении угла опережения впрыска. Изменение задания угла опережения от носительно средней величины © происходит с частотой W и амплитудой, определяемой амплитудой выходного си нала генератора 19 гармонического сигнала и коэффициентом передачи управляемого формирователя 6 импуль сов. Эти колебания угла опрежения вызывают соответствующие колебания Эффективной мощности дизеля при одной и той же длительности впрыска топлива. Частота этих колебаний также равна (Л} , амплитуда определяется величиной производной dNg/d, а фаза - знаком этой производной и инерционностью дизеля. При увеличении производной dNg/dS на участке кривой ааа амплитуда колебаний эффективной мощности дизеля относительно точки hLa возрастает, при уменьшении - падает. В случае пренебрежимо малой инерционности канала регулирования мощности дизеля за счет изменения угла опережения впрыска фаза колебаний эффективной мощности вокруг среднего значения совпадает с фазой колебаний угла опережения вокруг среднего значения, если рабочая точка дизеля находится на восходящей ветви характеристики NQ f(0) (в данйом случае точка а), или сдвинута относительно фазы колебаний угла опережения на если рабочая точка дизеля (как, например, точка с) лежит на падающей ветви характеристики Ng f (.&). В случае заметнрй инерционности канала регулирования эффективной мощности дизеля за счет изменения угла опережения впрыска сдвиг фаз между колебаниями угла и эффективной мощности имеет место всегда, но его величина зависит от положения рабочей точки дизеля на характеристике Ng - f(&) (на восходящей или падающей ветви лежит рабочая точка).. i . . I. в Пусть объектом управления является дизель-генератор с заметной инерционностью канала регулироц ания мощности за счет изменения угла опережения впрыска. В этом случае выходной электрический сигнал датчика 16 мрщности дизель-генератора 15 имеет постоянную составляющую, пропорциональную среднему значению эффективной мощности (фиг. 2), и переменную составляющую частоты (А) , фаза которой запаздывает относительно фазы выходного сигнала генератора 19 гармонического сигнала. Фильтр 17 формирует синусоидальный сигнал с частотой, совпадающей с частотой изменения выходного сигнала датчика 16 мощности, и амплитудой, определяемой амплитудой выходного сигнала датчика 16 мощности, т.е. W Eo-sin( t -(/), где k-t- комплексный коэффициент передачи фильтра 17; Е - амплитуда выходного сигнала фильтра 17, Ч - сдвиг фаз, обусловленный инерционностью канала регулирования эффективной мощности дизеля за счет изменения угла опережения впрыска и инерционностью фильтра 17. Запаздыва ния в датчике 16 мощности и в канале регулирования длительности выходного импульса управления формирователя 6 импульсов за счет изменения управляю щего напряжения не учитываются ввиду их малости по сравнению с названньи и выше инерционностями. Выходной сигнал фильтра 17 поступ ет на первый вход блока 18 перемножения, на второй вход которого посту пает синусоидальный сигнал Vy с выхо да фазосдвигающего устройства 21. На вход фазосдвигающего устройства 21 поступает синусоидальный сигнал генератора 19 гармонического сигнала Фазосдвигающее устройство 21 обес печивает сдвиг фазы сигнала Vy относительно фазы сигнала V|- на такой же угол как фильтр 17 и канал регули рования эффективной мощности дизеля за счет изменения угла опережения вместе взятые, то есть на угол , поэтому . sin((|j t - f), i-где k - коэффициент передачи фазосдвигающего устройства 21. Выходной сигнал Vg блока 18 перемножения равен произведению входных сигналов V, и V и определяется выра жением Vg--M N,,-1 Jsivi(tfi)t-Ч)к,, (u)t-)(,(wb-)-- -co5C2aot-2if)J K VpEo Сигнал Vg, состоящий из постоянной составляющей и переменнойсостав ляющей двойной частоты поступает на вход интегратора 22. Переменная составляющая двойной частоты почти полностью подавляется интегратором 22 и его выходное напряжение определяетсяв основном постоянной составляняцей на входе и временем, т.е. ,v...c, О 2 гдв с - постоянная составляющая, рав ная постоянной интегрирования, В этом случае для напряжения на управляющей шине управляемого формирователя 6 импульсов справедливо выражениеc- Vosivi v t c. Так как длительность выходного импульса управляемого формирователя 6 импульсов пропорциональна.напряжению на его управляющей шине, из полученного выражения следует, что длительность импульса этого формирователя с течением времени возрастает, колеблясь f с частотой СУ, причем ампли-гуда этих колебаний определяется амплитудой сигнала и коэффициентом передачи канала регулирования длительности импульса за счет изменения управляющего напряжения на шине указанного формирователя. в результате этого рабочая точка а (фиг,2) начинает перемещаться вправо, вызывая соответствующее увеличение средней величины эффективной мощности дизеля. Поскольку рабочая точка проходит по участкам все уменьшающейся крутизны, амплитуда колебаний эффективной мощности дизеля постепенно уменьшается, а сдвиг фазы этих колебаний относительно колебаний угла опережения впрыска остается прежним. Такие изменения эффективной мощности дизеля вызывают соответствующие изменения мощности дизельгенератора 15 и выходного сигнала датчика 16 мощности, который растет, . колеблясь с частотой Ш , Амплитуда переменной составляющей выходного сигнала датчика 16 мощности уменьшается в соответствии с уменьшением амплитуды колебаний эффективной мощности дизеля, а фаза переменной составляющей остается прежней. В результате этого на выходе фильтра 17 действует синусоидальный сигнал прежней частоты и фазы с уменьшающейся во времени амплитудой. Это означает, что величина Е( с течением времени падает,.вследствие чего скорость нарастания напряжения на управляющей ишне управляемого формирователя 6 импульсов с течением времени уменьшается. Это приводит к уменьшению скорости нарастания средней величины уга опережения впрыска и к замедляющемуся движению рабочей точки а, к экстремум - точке b (фиг.2). При совпадении рабочей точки дизе ля с точкой b эффективная мощность дизеля колеблется относительно средней величины Ngb двойной частотой, т.е. с частотой 2С1У, вследствие чего мощность дизель-генератора 15 также с частотой 2Ш колеблется относитель но средней величины. Постоянная составляющая выходного сигнала датчика 16мощности пг/опорциональна мощности Ngb, а переменная составляющая имеет частоту 2UD. Выходной сигнал фильтра 17в этом случае равен нулю, так как переменная составляющая двойной частоты и постоянная составляющая им полностью подавляются. В результате этого выходной сигнал блока 18 перемножения также равен нулю, а сигнал на управляющей щине управляемого формирователя 6 импульсов определяет ся выражением Vj, Vy;, + УО sin oyt + с, из которого следует, что среднее зна чение угла опережения впрыска не зависит от времени. На фиг. 2 это соответствует неподвижной рабочей точке Ь дизеля. . Таким образом, если в начальный период работы дизель-генератора 15 рабочая точка дизеля находится левее точки, соответствующей максимальному значению эффективной мощности дизеля, т.е. угол опережения впрыска топлива меньше оптимального, устройство управления впрыском топлива обеспечивает увеличение (с уменьщающейся скоростью) угла опережения впрыска до оптимального значения и перемещение с уменьшающейся скоростью рабочей точки дизеля к экстремуму. Когда угол опережения впрыска становится оптим.альным, рабочая точка дизеля прекращает свое движение и среднее значение эффективной мощности поддерживается максимальным. Рассмотрим теперь работу устройст ва в случае, когда угол опережения впрыска в начальный период работы дизель-генератора больше оптимального и рабочая точка дизеля находится в точке с (фиг.2). При этом, как и в описанном ранее случае, сигнал, например синусоидаль ный, генератора 19 гармонического сиг нала вызревает колебания угла опережения впрыскг относительно величины 12 и соответствующие колебания эффективней мощности дизеля относительно средней величины Uc. Частота последних совпадает с частотой выходного сигнала генератора 19 гармонического сигнала, амплитуда определяется амплитудой колебаний угла опережения и величиной производных dNe/d Ha участке с ос , а фаза - знаком этих производных и инерционностью канала регулирования эффективной мощности дизе;ля за счет изменения угла опережения |Впрыска. Колебания эффективной мощности дизеля вызьшают колебания мощности дизель-д енератора, колебания выходного сигнала датчика 16 мощности относительно среднего значения пропорциональны величине , и вызывают появление на выходе фильтра 27 синусоидального сигнала. Для рассматриваемого случая с учетом инерционности канала регулирования эффективной мощности за счет изменения угла опережения впрыска и фильтра 17 справедливо выражение Уф Epsin( te;t - -й:), где /С 180 - сдвиг фазы между колебаниями эффективной мощности и угла опережения впрыска в безинерционном дизеле, вызванный отрицательной величиной dNp/d B точке с. Напряжение Уф поступает на первый вход блока 18 перемножения на второй вход которого поступает прежний сигнал. Выходной сигнал блока 18 перемножения в данном случае определяется формулой EoSw(ciut-4-Ts c05fi:-C05(2.UJ-l-2lf-/t)J:- KvVoEo COsC2.C ui-2 f-7S;. Сигнал У, ug-j состоящий из постоянной составляющей и переменной составяющей двойной частоты поступает на вход интегратора 22. Переменная составляющая двойной частоты почти полностью подавляется и}1тегратором 22 и его выходное напряжс 1ие определяется 13 ocHouHoM постоянной составляющей i входе и времени, т.е. V-I CvVoEo-dt-Ю: - В этом случае напряжение на управ ляющей шине управляемого формировате ля 6 импульсов определяется выражением .Vj.-.,.c. .в соответствии с таким законом изменения управляилцего напряжения длительность выходного импульса управляемого формирователя 6 импульсоВ| являющаяся заданием времени и определяющая угол опережения впрыска колеблясь, с течением времени уменьш ется. Фаза колебаний угла опережения впрыска, их частота и амплитуда остаются прежними. В результате чего р бочая точка с (фиг.2) начинает перемещаться влево, вызывая соответствую щее увеличение средней величины эффе тивной мощности дизеля, мощности дизель-генератора 15 и постоянной составляющей выходного сигнала датчи ка 16 мощности. Поскольку рабочая то ка, двигаясь влево, прохода1Т по уча сткам уменьшающейся крутизны, амплитуда колебаний эффективной мощности дизеля, а , значит и амплитуда колеба ний мощности дизель-генератора 1, и амплитуда переменной составляющей выходного сигнала датчика 16 мощност уменьшаются с течение времени. В результате этого на выходе фильтра 17 действует синусоидальный сигнал той же частоты С1 и уменьшающейся амплиту да EQ. Фаза этого сигнала остается такой же, как и в рабочей точке С, так как запаздывание в соответствующих элементах системы осталось прежним. В этом случае, согласно выражению (З), скорость .уменьшения среднег значения напряжения на управляющей шине управляемого формирователя 6 импульсов падает с течением времени, вследствие чего падает скорость уменьшения средней величины времени и угла рпережелия впрыска топлива, а также скорость движения рабочей то 1ки дизеля к экстремуму - точке Ь. При совпадении рабочей точки дизеля с точкой b работа устройства происходит точно так же, как и в предыдущем случае. После перехода дизель-генератора на другой, например, более высокий скоростной режим работы эффективная мощность дизеля изменяется или остается прежней, .предположим, что она возрастает. Этому случаю соответствует кривая CdO (фиг.2). Установка угла опережения впрыска в начальный момент увеличивается, вследствие чего колебания угла опережения впрыска происходят относительно новой средней величины угла опережения, а колег бания эффективной мощности - относительно новой средней величины мощности. Работа устройства в этом случае происходит аналогично вышеизложенному, отличие состоит лишь в том, что рабочая точка движется по кривой CdO к экстремальной точке d. Из рассмотренных случаев видно, что независимо от скоростного режима работы дизеля и начального положения его рабочей точки на характеристике N f (в) устройство управления впрыска топлива обеспечивает движение этой точки к экстремуму, по достижении которого рабочая точка останавливается. Таким образом, по сравнению с известными предлагаемое устройство управления впрыском топлива в дизельгенератор обладает высокой надежностью работы и обеспечивает такой закон регулирования угла опережения впрыска, при котором мощность дизеля поддержи вается наибольшей при заданной длительности впрыска, а удельный эффективный р 1сход , топлива, равный расходу топлива на единицу мощности в единицу времени - наименьшим при любом скоростном режиме. Формула изобретения Устройство управления впрыском топлива, содержащее датчик угловой скорости вала двигателя, неуправляемый формирователь импульсов, триггер, реверсивный счетчик, схему И, генератор импульсов и блок выхода схемы И, причем датчик угловой скорости выполнен в виде первой и второй катушек установленных у вала, и постоянного магнита, размещенного на валу, причем, вторая катушка через неуправляемьй формирователь связана со входом триггера для усфановки его в нулевое состояние, прямой и инверсный выходы триггера соединены соответственно с шинами сложения и вычитания реверсивного счетчика, прямые выходы Двоичш 1Х ячеек которого подключены ко входам схемы И, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения эффективности, в у;:;тройство дополнительно введены управляемьй формирователе импульсов, датчик мощнос-ги, генератор гармонического сигнала, источник опорного напряжения, фазосдвигающее устройство и схема преобразования выполненная в виде фильтра, блока перемножения, интегратора и сумматора соединенных последовательно и включенных между датчиком мощности и источником опорного напряжения, причем генератор гармонического сигнала подключен через фазосдвигающее устройство к блоку перемножения, и непосредственно - к сумматору, связанному с управляемым формирователем импульсов, прямой выход которого соединен со входом триггера для установки его в единичное состояние, а инверсный - с шиной сброса в нулевое состояние счетчика, вход которого связан с генератором импульсов. Источники информации, йринядые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР ио заявке №2707197/25-06, кл. F 02 М 51/02, 1978.