Устройство для регулирования двигателя внутреннего сгорания

 

(,66582!

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ бовз Советских

Соииалистических

Республик (61) Дополнительный к патенту (22) Заявлено 08.09.75 (21) 2170156/25-06 (23) Приоритет — (32) 10.09.74 (51) М. Кл з

F 02 D 37/00

F 02 В 37/00

Государствеииый IIOMIITBI (33) Франция (53) УДК 621.43.052, -5(088.8) (43) Опубликовано 30.05.79. Бюллетень № 20 (45) Дата опубликования описания 30.05.79

IIo делам изабретеиий и открытий (72) Авторы изобретения

Иностранцы

Жан Мельхиор и Тьерри Андре (Франция) Иностранная фирма

«Эта Франсэ» (Франция) (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

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 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 (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 топливопроводс, а следя5 щая 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

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

Регулятор может быть также выполнен в

20 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;

665821 на фиг. 2 — принципиальная схема двигателя с наддувом, оборудованного устройством подачи 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 подачи 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, проходящие 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. Соответствую цие границы показаны на фиг. 1 штрих-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 высокои, 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, параллель5

4 ной 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. (Ha 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

АВАР или область I, заключенная внутри кривых 1, 2, 3 и 4, соответствует работе без заметного эффекта и участия камеры сгоранпя, последняя находится в погашенном состоянии или же в готовности. Область

ODFG или область II соответствует вступлению в работу дополнительной камеры сгорания для того, чтобы воспрепятствовать падению давления наддува P„ниже установленного значения. Для работы в области ЛВС 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 III 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 пункTIIpHbIe MI e TII Ma OH. Если при работе с постоянным крутящим моментом число оборотов двигателя уменьшается по сравнению с максимальным, соответствующим точке Н, то давление на выходе из компрессора, которое зависит от энергии выхлопных газов двигателя дизеля, также снижается, вследствие чего температура выхлопа возрастает, как это следует из положения линии OH по отношению к кривым постоянной температуры выхлопа. Это измснение объясняется тем обстоятельством, что цикловая подача топлива сохраняется, а количество поступающего воздуха снижается вместе со снижением давления наддува Р,.

Цель изобретения состоит в том, чтобы добиться включения в работу дополнитель665821 ной камеры сгорания с момента, когда будет достигнута точка I, соответствующая максимально еще допустимой температуре выхлопа, и воспрепятствовать продолжению падения давления наддува и росту темпера туры 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 П: дополнительная камера сгорания получает питание таким образом, чтобы поддерживать давление Р, на неизменной величине, которая гарантирует работу двигателя внутреннего сгорания по принципу дизеля в наиболее неблагоприятных для него условиях.

Участок MP соответствует режиму работы в областях 1 и Ш. Минимальное давление наддува (т. е. заданное значение) должно в этих областях возрастать при увеличении Q. При некотором данном значении

Q рабочая точка может находиться в зоне между I и М (фиг. 1), в таком случае выхлопных газов двигателя достаточно для осуществления этого условия. Она может быть также в области III (между точками

О и I 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 больше, на сколько происходит удаление от области 1.

Участок PR соответствует области IV, â 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 6, у которого орган дозирования цикловой подачи топлива представляет собой зубчатую рейку 7.

Регулятор количества топлива, подаваемого в дополнительную камеру 8 сгорания, выполнен в ниде регулируемого дросселя 9, устайовленного н топливопроводе 10, пода 1ощем топливо в камеру сгорания от насоПодвижная игла 20 снабжена штоком, ко40 торый 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

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

Пневматическая следящая система имеет то преимущество, что для перестановки

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

Подвижная игла 20 может быть обраще55 на 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 турбоком50 прессор, содержащий компрессор 25. подключенный к воздушному ресиверу 17 двигателя, и турбину 26, газоприемный патрубок 27, к которому подключена дополнительная камера 8 сгорания, сообщенная с

65 выхлопным коллектороМ 38 11 ресивером 17

35 са 11, Сечение дросселя может регулироваться посредством перемещения конусного штифта 12. Этот штифт соединен с подвижной 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, уравновешивается 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 положение подвижной стенки и соответственно положение конусного штифта 12 в дросселе 9.

Таким образом, подвижная 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.

665821 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 положением 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 изб"жать того, чтобы элементы системы регулирования подвергались бы воздействию воздуха, имеющего высокую температуру, сжатого в компрессоре 25.

Потеря давления при прохождении воздухоохладителя очень мала (обычно 1 — 2%) и она не нарушает работы органов регулирования.

Возможно использование такого решения, 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. 6 представлена электрическая схема в упрощенном виде. Средства регулирования соответствуют случаю питания двигателя насосом с зубчатой рейкой. Они включают детектипующую схему, образованную мостиком Уитсона, у которого одно плечо содержит сопротивление 32, обладающее чувствительностью к значению давления наддува Р, 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 напряженийй.

Сигнал с выхода дифференциального уси,читечя "6, который представляет собой ве5

25 зо

65 личину 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: Л =Уо+ЯУ, где

U — напряжение.

Электр опри водной 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 No) 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 возвратилась в режим готовности к действию, а давление наддува все еще продолжает превышать заданную величину.

Таким образом, сопротивления 32 и ЗЗ 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 пои малой нагрузке и на малой скопости. В этом случае управляемый оператором регулятор скорости удерживает упор зубчатой рейки в таком положении, лри котором цикловая подача топлива далека от максимальной,, Если необходимо

665821

КПД.

10 увеличить скорость, то перемещают регулятор и зубчатую рейку с упором в направлении увеличения расхода (на фиг. 2 вправо), Зубчатая рейка перемещает подвижную иглу 20 вправо против действия возвратной пружины. Давление в камере 15 возрастает, конусный штифт 12 приподнимается и тем самым увеличивает проходное сечение для пропуска топлива в камеру 8 и его расход.

Турбокомпреосор 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 сгорания 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 пооредством 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 необходимости. Это избавляет от решения

60 выбора или самого низкого значения давле,ия 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

Формула изобретения

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, отл и ч а ющееся тем, что подсоединение задатчика к органу дозирования выполнено в виде следящей системы.

3. Устройство по п. 2, отличающеес я тем, что следящая система дополнительно соединена с ресивером.

4. Устройство по пп. 1 — 3, отличающ е е с я 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, отл ич а ющеес я тем, что источник эталонного давления выполнен в виде резервуара, сообщенного с атмосферой при помощи регулируемого жиклера, подвижная игла которого кинематически соединена с органом дозирования цикл овой подачи, и дополнительно сообщенного с ресивером при помощи жиклера постоянного сечения.

6. Устройство по пп. 1 — 3, отл и ч а ющ е е с я тем, что регулятор количества топлива, подаваемого в дополнительную камер> сгорания, выполнен в виде электроприводного насоса, а следящая система — в виде преобразователей положения органа дозипования цикловой подачи и величины давления наддува в сигналы изменения электрического тока в пепи его питания.

Источники информации, принятые во внимани пои экспертизе

1. Патент Швейцарии М 565940, кл. F 02 В

37/02, опублик. 1972.

Редактор Т. Рыбалова

Составитель М. Файн

Техред Н. Строганова

Корректор Л. Корогод

Заказ 1129/11 Изд, Ко 367 Тираж 627 Подписное

НПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, Р