УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к автоматическому регулированию частоты вращения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использована в машиностроении при производстве топливной аппаратуры ДВС.
Известен цифровой пропорционально-интегральный регулятор с воздействием по производной, использующий в качестве регулирующего воздействия отклонение текущего значения регулируемой величины в цифровой форме (см. авт. св. СССР №259226, МПК G06f, 1989 г.), содержащий сумматор, задатчики пропорциональной, дифференциальной и интегральной составляющих закона регулирования, кварцевый генератор, счетчик и дешифратор команд, выходной регистр, схему срабатывания на равенство двух чисел, частотный датчик, схемы совпадения и клавишный переключатель.
Недостатками данного устройства является невозможность использования в современных системах автоматического управления и регулирования, а также необходимость установки с помощью клавишного переключателя заданного значения регулируемой величины.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для регулирования частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания (см. патент РФ на изобретение №2168647, МПК F02D 31/00, F02D 35/02), содержащее датчик частоты вращения, компаратор, генератор импульсов, пульт управления с контроллером, управляемый счетчик импульсов, буфер микроконтроллера, арифметически-логическое устройство, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), делитель частоты, широтно-импульсный модулятор (ШИМ), усилитель мощности, исполнительное устройство регулятора подачи топлива, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и программатор, причем выход датчика частоты вращения соединен с входом компаратора, первый выход которого соединен с первым входом буфера микроконтроллера, а второй выход - с первым входом арифметически-логического устройства, выход пульта управления контроллера соединен с первым входом ОЗУ, выходы программатора соединены с первым входом счетчика импульсов и входом ПЗУ, выход генератора импульсов - с входом делителя частоты, выход делителя частоты - с первым входом ШИМ, выход счетчика импульсов соединен через буфер со вторым входом арифметически-логического устройства, выход ПЗУ - с третьим входом арифметически-логического устройства, а выход ОЗУ с четвертым входом арифметически-логического устройства, выходы арифметически-логического устройства соединяются с входом ОЗУ и вторым входом с широтно-импульсным модулятором выход которого последовательно соединен с входами усилителя мощности и исполнительного устройства регулятора подачи топлива.
Недостатками данного устройства является ограниченная область использования, в первую очередь, в составе дизель-генераторных установок магистральных тепловозов, из-за невозможности регулирования величины среднего значения частоты вращения с учетом скорости изменения регулируемого параметра.
Технической задачей заявляемой полезной модели является расширение области использования устройства и повышение качества регулирования частоты вращения коленчатого вала ДВС за счет более оперативного воздействия на орган управления топливоподачей.
Для решения поставленной задачи устройство для регулирования частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, содержащее датчик частоты вращения, генератор импульсов, делитель частоты, программатор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), пульт управления, широтно-импульсный модулятор (ШИМ), усилитель мощности и исполнительное устройство регулятора подачи топлива, снабжено формирователем сигналов, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), анализатором сигналов, дифференциатором, логической схемой «И», схемой сравнения, блоком управления и коммутатором, причем выход датчика частоты вращения соединен с входом формирователя сигналов, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход АЦП с входом анализатора сигналов, первый выход анализатора сигналов соединен с входом дифференциатора, а второй - с первым входом ОЗУ, выход ОЗУ соединен с первым входом схемы сравнения, первый выход пульта управления соединен с первым входом блока управления, второй выход пульта управления соединен со вторым входом схемы сравнения, выход схемы сравнения соединен со вторым входом блока управления, выход дифференциатора соединен с первым входом логической схемы «И», выход программатора соединяется со вторым входом логической схемы «И», выход логической схемы «И» с третьим входом блока управления, выходы делителя частоты соединены со вторым входом ОЗУ и с первым входом ШИМ, выход блока управления с входом коммутатора, а выход коммутатора - со вторым входом широтно-импульсного модулятора.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где приведена блок-схема устройства для регулирования частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.
Устройство состоит из датчика частоты вращения 1, например, оптического датчика в виде энкрементального энкодера с большим количеством меток на один оборот, формирователя сигналов 2, аналого-цифрового преобразователя 3, анализатора сигналов 4, оперативного запоминающего устройства 5, дифференциатора 6, программатора 7, логического элемента «И» 8, пульта управления 9, схемы сравнения 10, генератора импульсов 11, делителя частоты 12, блока управления 13, коммутатора 14, широтно-импульсного модулятора 15, усилителя мощности 16 и исполнительного устройства регулятора подачи топлива 17. Выход формирователя сигналов 2, получающего сигналы от датчика частоты вращения 1, соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 3, выход которого соединен с входом анализатора сигналов 4. Первый выход анализатора сигналов соединяется с входом дифференциатора 6, а второй - с первым входом ОЗУ 5. Для обеспечения работы ОЗУ и широтно-импульсного модулятора второй вход ОЗУ 5 и первый вход ШИМ 15 через делитель частоты 12 соединены с генератором импульсов 11. Выход дифференциатора 6 соединен с первым входом логической схемы «И» 8, а второй вход логической схемы «И» 8 - с выходом программатора 7. Выход генератора импульсов 11 соединяется с входом делителя частоты 12, первый выход которого соединен с первым входом широтно-импульсного модулятора 15, а второй - со вторым входом ОЗУ 5. Первый выход пульта управления 9 соединен с первым входом блока управления 13, а второй - со вторым входом схемы сравнения 10. Выход ОЗУ соединяется с первым входом схемы сравнения 10, а выход схемы сравнения 10 - со вторым входом блока управления 13, а его выход - с входом коммутатора 14, выход которого, в свою очередь, соединен со вторым входом широтно-импульсного модулятора 15. Выход логической схемы «И» 8 соединяется с третьим входом блока управления 13. Выход широтно-импульсного модулятора 15 соединен с входом усилителя мощности 16, выход которого соединяется с входом исполнительного устройства регулятора подачи топлива 17.
Устройство работает следующим образом.
0
1
2, …,
n
i
i
i-1
i
i-1
i
i-1
Первоначально осуществляют монтаж датчика частоты вращения 1, который закрепляют на двигателе внутреннего сгорания, например, на носке коленчатого вала. Затем монтируют исполнительное устройство регулятора подачи топлива на приводе рейки топливного насоса. После монтажа и подключения питания устройство готово к работе. При этом сигнал от датчика частоты вращения 1 поступает на формирователь сигналов 2, далее на аналого-цифровой преобразователь 3 и после преобразования в двоичный цифровой код и выхода из аналого-цифрового преобразователя 3 поступает на вход анализатора сигналов 4. На этом этапе оцифрованные значения сигнала датчика частоты вращения (энкодера) в результате анализа превращаются в одномерный массив временных меток формата t, t, t t, где период между двумя временными метками является шагом энкодера, и в дальнейшем преобразуются программным обеспечением анализатора сигналов 4, путем соответствующих вычислений, в физические характеристики - частоту вращения и ускорение. Частота вращения определяется по формуле n=1(t-t), где t, t - время, соответствующее точкам с частотой вращения соответственно n и n. Для управления заданным режимом работы двигателя внутреннего сгорания значения частоты вращения поступают на первый вход оперативного запоминающего устройства 5 и далее на второй вход схемы сравнения 10, на первый вход которой и на первый вход блока управления 13 поступают сигналы от пульта управления 9 о заданных значениях частоты вращения. В случае их несовпадения схема сравнения 10 подает управляющий сигнал на второй вход блока управления 13, который посредством коммутатора 14, широтно-импульсного модулятора 15, усилителя мощности сигнала 16 и исполнительного устройства регулятора подачи топлива 17 регулирует топливоподачу, например, перемещая рейку топливного насоса высокого давления в сторону уменьшения либо увеличения подачи топлива.
i
i-1
i
i-1
Полученные с помощью анализатора сигналов 4 значения частоты вращения передаются также на вход дифференциатора 6. Здесь интенсивность изменения частоты вращения (угловое ускорение коленчатого вала) рассчитывается как дифференциал приращения рассчитанных значений частоты вращения по времени по следующей формуле: ε=[(n-n)/(t-t)]⋅π. Полученные значения сравниваются логической схемой «И» 8 с заданными с помощью программатора 7 значениями и в случае их совпадения подается сигнал на блок управления 13, который с помощью коммутатора 14, широтно-импульсного модулятора 15, усилителя мощности сигнала 16 и исполнительного устройства регулятора подачи топлива 17 обеспечивает увеличение или же уменьшение на определенную величину подачи топлива путем изменения положения органа управления топливоподачей по сравнению с требуемым на основании информации от схемы сравнения 10 уровнем.
Заявленное устройство в сравнении с прототипом позволяет обеспечить универсальность устройства и повысить качество регулирования частоты вращения коленчатого вала ДВС, за счет оперативного воздействия на орган управления топливоподачей и снижения величины фазового запаздывания процессов регулирования путем обеспечения упреждающего воздействия по производной на положение исполнительного механизма регулятора подачи топлива с учетом скорости изменения регулируемого параметра.