ЭЛЕКТРОННО-МЕХАНИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ
ELECTRONIC-MECHANICAL ROTATION SPEED CONTROL OF TRACTION DIESEL ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а более конкретно - к регуляторам частоты вращения транспортных дизелей.
Известны автоматические центробежные регуляторы частоты вращения дизелей, содержащие корпус, приводной вал, державку грузов, жестко закрепленную на приводном валу, центробежные грузы, шарнирно установленные в державке, муфту, установленную коаксиально приводному валу с возможностью перемещения вдоль него и взаимодействия с центробежными грузами, рейку топливного насоса, установленную в корпусе топливного насоса, жестко соединенного или выполненного за одно целое с корпусом регулятора, рычаг регулятора, шарнирно установленный в корпусе с возможностью взаимодействия с ним через регулировочный винт, кинематически связанный с педалью акселератора (А.с. СССР 1033783, Центробежный регулятор частоты вращения двигателя внутреннего сгорания/ П.Р. Козин, Л.М. Малышев. - 1983, Б.И. №29; Кругов В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания, - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. - C.151…163).
Такие регуляторы автоматически обеспечивают поддержание скоростного и нагрузочного режима во всем рабочем диапазоне частот вращения и крутящего момента.
Кроме того, известны электронные регуляторы частоты вращения дизелей, оснащенных рядными и V-образными топливными насосами (Системы управления дизельными двигателями. Перевод с немецкого. Первое русское издание. - М.: ЗАО «КЖИ» «За рулем», 2004, - С.174-179; Пат. РФ 2231663, Исполнительный механизм электронной системы регулирования частоты вращения дизеля / С.В. Овчинников, Ю.Е. Хрящев, P.O. Антошин и др. - 2004., Б.И. №18).
Поворотный пропорциональный электромагнит, используемый в качестве исполнительного механизма по патенту 2231663 РФ, имеет ряд преимуществ при установке его на V-образном топливном насосе, так как хорошо компонуется под управление двумя рейками, и, обеспечивая одновременное воздействие сразу на обе рейки и обратную связь с электронным блоком управления, обладает необходимой и достаточной точностью и быстродействием.
Электронные регуляторы подобного типа оснащены комплектом датчиков, с помощью которых производится анализ состояния дизеля и окружающей среды, электромагнитным исполнительным механизмом, кинематически связанным с рейкой (или рейками) топливного насоса, электронным блоком управления, электрически соединенным с электромагнитным исполнительным механизмом и всеми датчиками. Такие регуляторы также автоматически обеспечивают поддержание скоростного и нагрузочного режима во всем рабочем диапазоне частот вращения и крутящего момента, однако при выходе их из строя в условиях неразвитого сервиса в труднодоступных районах это приводит к остановке двигателя, и транспортное средство надолго выходит из строя.
Известны также и электронно-механические регуляторы, где с разной целью применяется сочетание двух видов регуляторов: электронного и механического (Заявка ФРГ 4221685, Электронно-механический регулятор; Пат. РФ 2159860, Открытия. Изобретения. - 2000, №33; Пат. РФ 2425998, Открытия. Изобретения. - 2011, №22; Пат. США 4683854).
Электронно-механический регулятор по патенту РФ 2425998 обладает тем недостатком, что положение рычага рейки, связывающего рейку топливного насоса с электромагнитным исполнительным механизмом, никак не определено при работе по механическому варианту, т.е. при выходе из строя электронной части регулятора. Очевидно, что если рейка займет одно из двух крайних положений, то двигатель либо «уйдет в разнос», т.к. цикловая подача топлива будет равна стартовой, т.е. будет превышать номинальную цикловую подачу в 1,5-2 раза, либо остановится, т.к. рейка будет поставлена в положение, соответствующее нулевой цикловой подаче. Кроме того, вызывает сомнение рациональность конструкции двуплечего стопора, т.к. усилие его электромагнита должно превышать суммарное усилие двух пружин: главной пружины регулятора и пружины стопора (примерно 300-400Н) с ходом хотя бы 5-10 мм. Размеры такого электромагнита на порядок превысят размеры электромагнита исполнительного механизма и сделают невозможным компоновку такого устройства. Техническое исполнение предлагаемого электронно-механического регулятора наиболее близко к конструкции электронно-механического регулятора частоты вращения дизеля, описываемого патентом РФ 2159860 (прототип).
Электронно-механический регулятор частоты вращения транспортного дизеля содержит корпус, приводной вал, две рейки топливного насоса, связанные между собой двуплечим рычагом реек, державку грузов, жестко установленную на приводном валу, центробежные грузы, шарнирно установленные в державке, муфту центробежных грузов, установленную коаксиально приводному валу с возможностью перемещения вдоль него, рычаг муфты, шарнирно связанный с муфтой и контактирующий с первой рейкой топливного насоса, подпружиненной относительно корпуса, рычаг регулятора, шарнирно соединенный с рычагом муфты, опирающийся на корпус через регулировочный винт, ввернутый в него, и соединенный через пружину регулятора с рычагом управления, шарнирно установленным в корпусе и связанным с педалью акселератора, установленной в кабине водителя транспортного средства, с помощью тросика, причем поворот рычага управления ограничен упором максимальной частоты вращения и упором минимальной частоты вращения, электромагнитный исполнительный механизм, установленный в корпусе с возможностью воздействия на одну или обе рейки топливного насоса, датчик положения реек топливного насоса, жестко установленный на корпусе, датчик частоты вращения коленчатого вала дизеля, подпедальный датчик положения педали акселератора, установленный на ней, датчики температуры и давления топлива в магистрали низкого давления топливного насоса, датчики температуры и давления воздуха во впускном коллекторе дизеля, электронный блок управления, электрически соединенный со всеми датчиками и электромагнитным исполнительным механизмом.
Недостатком этой конструкции электронно-механического регулятора является то, что его работа по электронному варианту сопровождается поворотом рычага управления механической части регулятора, постоянно вызывающим натяжение пружины регулятора, осуществляемым ногой водителя через педаль акселератора, поскольку она соединена с рычагом управления посредством тяги. Если учесть, что основным вариантом работы является электронный, то становится очевидной целесообразность отключения механической части регулятора вместе с пружиной, усилие которой постоянно нагружает педаль акселератора.
Таким образом, целью изобретения является обеспечение свойств эргономичности управления, а именно уменьшение управляющих усилий, прилагаемых к педали акселератора при работе регулятора по электронному варианту, и повышение безотказности дизеля.
Указанная цель достигается тем, что регулятор дополнительно оснащен рычагом переключения, установленным в кабине транспортного средства, рычагом минимальной частоты вращения, кинематически связанным с ним и шарнирно установленным в корпусе, с возможностью поворота совместно с рычагом управления до соприкосновения с упором максимальной частоты вращения, а упор минимальной частоты вращения ввернут в рычаг минимальной частоты вращения с возможностью соприкосновения с рычагом управления, а также электрическим контактом в цепи электропитания электронного блока управления, установленным с возможностью размыкания цепи электропитания при повороте рычага переключения на механический вариант работы, причем может быть вариант конструкции, когда рычаг минимальной частоты вращения может быть установлен с рычагом управления соосно.
Крайнее положение рычага минимальной частоты вращения, повернутого совместно с рычагом управления до его соприкосновения с упором максимальной частоты вращения, может устанавливаться с возможностью автоматической фиксации положения рычага переключения в кабине транспортного средства.
Рычаг минимальной частоты вращения может быть выполнен в виде эксцентрика, обеспечивающего возможность автоматической фиксации рычага управления в прижатом положении к упору максимальной частоты вращения.
В качестве электромагнитного исполнительного механизма может применяться как линейный пропорциональный электромагнит, оснащенный датчиком положения сердечника, так и поворотный пропорциональный электромагнит, оснащенный датчиком положения ротора.
Сопоставительный анализ регулятора с другими конструкциями электронно-механических регуляторов позволяет сделать вывод о том, что в них не применялся рычаг минимальной частоты вращения с ввернутым в него упором минимальной частоты вращения с возможностью его соприкосновения с рычагом управления и с возможностью его поворота с помощью рычага переключения, установленного в кабине транспортного средства, а также контакта в цепи электропитания электронного блока управления, установленного с возможностью размыкания цепи электропитания при повороте рычага переключения на механический вариант работы. Причем фиксация положения рычага упора минимальной частоты вращения в положении, обеспечивающем работу электронно-механического регулятора по электронному варианту, когда отключен рычаг управления, и пружина регулятора «не мешает» повороту педали акселератора с подпедальным датчиком положения педали акселератора, может быть выполнена по двум схемам: когда крайнее положение рычага минимальной частоты вращения, повернутого совместно с рычагом управления до его соприкосновения с упором максимальной частоты вращения, может устанавливаться с возможностью автоматической фиксации положения рычага переключения в кабине транспортного средства, и когда рычаг минимальной частоты вращения может быть выполнен в виде эксцентрика, обеспечивающего возможность автоматической фиксации рычага управления в прижатом положении к упору максимальной частоты вращения. В этом заключается сущность изобретения.
В случае «отказа» электронной части электронно-механического регулятора переключение его на механический вариант осуществляется вручную с помощью поворота рычага переключения, размещенного в кабине транспортного средства, причем, чтобы не произошло случайного включения пропорционального электромагнита, в конструкции электронно-механического регулятора предусмотрена возможность размыкания цепи электропитания электронного блока управления с помощью контакта в цепи электропитания.
На фиг.1 представлена кинематическая схема электронно-механического регулятора с исполнительным механизмом на основе линейного пропорционального электромагнита при работе по штатному (электронному) варианту; на фиг.2 представлена блок-схема электронной части регулятора с исполнительным механизмом на основе линейного пропорционального электромагнита; на фиг.3 - кинематическая схема электронно-механического регулятора с исполнительным механизмом на основе линейного пропорционального электромагнита при работе по аварийному (механическому) варианту; на фиг.4 - регуляторные характеристики электронно-механического регулятора с исполнительным механизмом на основе линейного пропорционального электромагнита при работе по аварийному (механическому) варианту; на фиг.5 - фрагмент кинематической схемы электронно-механического регулятора с рычагом минимальной частоты вращения, выполненным в виде эксцентрика; на фиг.6 - фрагмент кинематической схемы электронно-механического регулятора для случая, когда рычаг управления с рычагом минимальной частоты вращения выполнены соосно; на фиг.7 - кинематическая схема электронно-механического регулятора с исполнительным механизмом, выполненным в виде поворотного пропорционального электромагнита; на фиг.8 представлена блок-схема электронной части регулятора с исполнительным механизмом, выполненным в виде поворотного пропорционального электромагнита.
Электронно-механический регулятор (фиг.1) содержит следующие элементы: приводной вал 1, державку грузов 2, жестко установленную на приводном валу 1, центробежные грузы 3, шарнирно установленные в державке 2, муфту 4 центробежных грузов, установленную коаксиально приводному валу 1 с возможностью перемещения вдоль него, рычаг 5 муфты центробежных грузов и первую рейку 6 топливного насоса, подпружиненную относительно корпуса с помощью пружины 7, рычаг регулятора 8, шарнирно соединенный с рычагом 5 муфты центробежных грузов, опирающийся на корпус через регулировочный винт 9, ввернутый в него и соединенный через пружину 10 регулятора с рычагом управления 11, шарнирно установленным в корпусе и связанным посредством тросика 12 с педалью 13 акселератора, установленной в кабине транспортного средства, причем поворот рычага управления 11 ограничен упором 14 максимальной частоты вращения, установленным в корпусе, и упором 15 минимальной частоты вращения, ввернутым в рычаг 16 минимальной частоты вращения и шарнирно установленным в корпусе, электромагнитный исполнительный механизм в виде линейного пропорционального электромагнита 17, установленный в корпусе с возможностью соприкосновения его сердечника 18 со второй рейкой 19 топливного насоса, двуплечий рычаг 20, связывающий первую и вторую рейки топливного насоса, причем рычаг 16 минимальной частоты вращения кинематически связан с рычагом 21 переключения, установленным в кабине транспортного средства, а в рычаг 8 регулятора ввернут винт 22 регулировки стартовой подачи. Пружина 7 установлена с возможностью взаимодействия со штоком 23, соприкасающимся с первой рейкой 6 топливного насоса.
Электронная часть электронно-механического регулятора состоит из следующих элементов, изображенных на блок-схеме (фиг.2), а именно: датчиков давления 24 топлива в магистрали низкого давления топливного насоса, давления 25 воздуха во впускном коллекторе дизеля, температуры 26 топлива, температуры 27 воздуха, датчика 28 частоты вращения коленчатого вала, подпедального датчика 29 положения педали акселератора, датчика 30 положения реек топливного насоса высокого давления и датчика 31 положения сердечника линейного пропорционального электромагнита, электрически связанных с электронным блоком управления 32, и электромагнитного исполнительного механизма в виде линейного пропорционального электромагнита 17, также электрически соединенного с электронным блоком управления 32, который в свою очередь связан с блоком аккумуляторных батарей 33, причем в цепи питания имеется два контакта: контакт 34, замыкающийся через ключ зажигания, и контакт 35, замыкающийся посредством рычага управления 21.
Регулятор работает в соответствии с двумя вариантами.
1 вариант (штатный)
Электронно-механический регулятор, оснащенный электромагнитным исполнительным механизмом в виде линейного пропорционального электромагнита, работает как электронный (фиг.1).
-1
Рычаг 21 переключения занимает такое положение (фиг.1), при котором связанный с ним рычаг 16 минимальной частоты вращения повернут до соприкосновения упором 15 минимальной частоты вращения, ввернутым в него, с рычагом управления 11, который оказывается прижатым к упору 14 максимальной частоты вращения, т.е. зафиксирован таким образом, что тросик 12 между ним и педалью 13 акселератора ослаблен, и она имеет возможность перемещаться, не испытывая нагрузки со стороны пружины 10 регулятора, и поворот педали 13 акселератора контролируется подпедальным датчиком 29, от которого управляющий сигнал передается в электронный блок управления 32, куда поступают сигналы от всех других датчиков. В электронном блоке управления 32 производится анализ информации о состоянии дизеля и вырабатывается управляющий сигнал на пропорциональный электромагнит 17, который посредством сердечника 18 перемещает рейку 19, в соответствии с алгоритмом, запрограммированным в электронном блоке управления 32, которая в свою очередь через двуплечий рычаг 20 перемещает рейку 6. Стартовая подача осуществляется за счет пружины 7, когда частота вращения дизеля еще небольшая, и усилие от центробежных грузов 3 не превышает усилия ее преднатяга. При увеличении частоты вращения муфта 4 под действием центробежных грузов 3 перемещается вправо, поворачивая рычаг 5 муфты по часовой стрелке до соприкосновения с упором 22, ввернутым в рычаг рейки 8, который прижат пружиной 10 регулятора к корпусу через регулировочный винт 9. Преднатяг пружины 10 регулятора устанавливается упором 14 максимальной частоты вращения таким образом, что она не будет растягиваться во всем скоростном диапазоне дизеля, а срабатывает только в случае небольшого превышения частоты вращения сверх номинальной (например, на 100-200 мин). Данная настройка регулятора позволяет осуществить автономную защиту транспортного дизеля в случае аварийной ситуации от «ухода в разнос» (т.е. от неконтролируемого повышения частоты вращения дизеля).
2 вариант (аварийный) (фиг.3)
Если происходит нештатная ситуация, которая приводит к сбою в работе электронной части регулятора, то в работу включается механическая часть электронно-механического регулятора путем поворота рычага 21 переключения по часовой стрелке. При этом рычаг 16 минимальной частоты вращения также поворачивается по часовой стрелке, и вместе с ним перемещается упор 15, освобождая рычаг управления 11. Тросик 12 под воздействием пружины 10 регулятора натягивается, и управление ее преднатягом осуществляется с помощью педали 13 акселератора. При повороте рычага 21 переключения на механический вариант работы электрические контакты 35 (фиг.2) в цепи электропитания электронного блока управления 32 размыкаются, обеспечивая невозможность случайного подключения электронной части регулятора.
Формирование регуляторных характеристик с помощью электронно-механического регулятора по схеме механического (фиг.3) осуществляется следующим образом.
3
1
2
max
Центробежные грузы 3 при увеличении частоты вращения перемещают муфту 4, которая поворачивает рычаг 5 муфты по часовой стрелке, который в свою очередь воздействует на первую рейку 6 топливного насоса и, сжимая пружину 7, перемещает ее вправо на уменьшение подачи топлива до упора рычага 5 муфты в винт 22 регулировки стартовой подачи. При этом формируется участок стартовой подачи топлива (характеристика «а-б» на фиг.4). Далее при увеличении частоты вращения перемещения рычагов и реек не происходит (участок «б-в») до тех пор, пока усилие центробежных грузов 3 не превысит усилия преднатяга пружины 10 регулятора, затем она растягивается, позволяя повернуться по часовой стрелке рычагам 5 и 8, при этом рычаг 5 муфты перемещает рейку 6 и соответственно рейку 19 на выключение подачи, формируется участок характеристики «в-г» (точка «г» соответствует частоте вращения n). В зависимости от положения рычага 11 управления (координата Y, Y, … Y) регуляторная характеристика «в-г» может соответствовать разным частотам вращения «n».
Рычаг 16 минимальной частоты вращения может быть выполнен в виде эксцентрика (фиг.5).
Рычаг 16 минимальной частоты вращения и рычаг 11 управления могут быть установлены соосно (фиг.6).
На фиг.7 представлена схема электронно-механического регулятора частоты вращения транспортного дизеля, оснащенного поворотным пропорциональным электромагнитом в качестве электромагнитного исполнительного механизма 17 с ротором 36, жестко соединенным с двуплечим рычагом 20. Описание кинематической схемы, изображенной на фиг.7, совпадает с описанием схемы, изображенной на фиг.1, за исключением того, что в качестве электромагнитного исполнительного механизма 17 используется поворотный пропорциональный электромагнит, корпус которого жестко закреплен на корпусе регулятора, а ротор 36 в свою очередь шарнирно установлен в его корпусе и жестко соединен с двуплечим рычагом 20, установленным с возможностью воздействия на первую 6 и вторую 19 рейки топливного насоса.
Электронная часть электронно-механического регулятора с исполнительным механизмом, выполненным в виде поворотного пропорционального электромагнита 17, состоит из следующих элементов, изображенных на блок-схеме (фиг.8), а именно: датчиков давления 24 топлива в магистрали низкого давления топливного насоса, давления 25 воздуха во впускном коллекторе дизеля, температуры 26 топлива, температуры 27 воздуха, датчика 28 частоты вращения коленчатого вала, подпедального датчика 29 положения педали акселератора, датчика 30 положения реек топливного насоса высокого давления и датчика 37 положения ротора 36 (фиг.7) поворотного пропорционального электромагнита 17, электрически связанных с электронным блоком управления 32, и поворотного пропорционального электромагнита 17, также электрически соединенного с электронным блоком управления 32, который в свою очередь связан с блоком аккумуляторных батарей 33, причем в цепи питания имеется два электрических контакта: контакт 34, замыкающийся через ключ зажигания, и контакт 35, замыкающийся посредством рычага 21 переключения.
Регулятор работает в соответствии с двумя вариантами.
1 вариант (штатный). Электронно-механический регулятор с исполнительным механизмом на основе поворотного пропорционального электромагнита работает как электронный (фиг.7).
Рычаг 21 переключения занимает такое положение, при котором связанный с ним рычаг 16 минимальной частоты вращения повернут до соприкосновения с упором 15 минимальной частоты вращения, ввернутым в него, с рычагом управления 11, который в свою очередь прижат к упору 14 максимальной частоты вращения, т.е. зафиксирован таким образом, что тросик 12 между ним и педалью 13 акселератора ослаблен, и она имеет возможность перемещаться, не испытывая нагрузки со стороны пружины 10 регулятора, и поворот педали 13 акселератора контролируется подпедальным датчиком 29, от которого управляющий сигнал передается в электронный блок управления 32, куда поступают сигналы от всех других датчиков. В электронном блоке управления 32 производится анализ информации о состоянии дизеля и вырабатывается управляющий сигнал на электромагнитный исполнительный механизм 17, представленный как поворотный пропорциональный электромагнит, который посредством ротора 36 и двуплечего рычага 20 перемещает сразу обе рейки 6 и 19, в соответствии с алгоритмом, запрограммированным в электронном блоке управления 32.
2 вариант (аварийный). Электронно-механический регулятор с исполнительным механизмом на основе поворотного пропорционального электромагнита работает как механический (фиг.9).
Если происходит нештатная ситуация, которая приводит к сбою в работе электронной части регулятора, то в работу включается механическая часть электронно-механического регулятора путем поворота рычага 21 переключения по часовой стрелке. При этом рычаг 16 упора минимальной частоты вращения также поворачивается по часовой стрелке, и вместе с ним перемещается упор 15, освобождая рычаг управления 11. Тросик 12 под воздействием пружины 10 регулятора натягивается, и управление ее преднатягом осуществляется с помощью педали 13 акселератора. При повороте рычага 21 переключения на механический вариант работы электрические контакты 35 (фиг.8) в цепи электропитания электронного блока управления 32 размыкаются, обеспечивая невозможность случайного подключения электронной части регулятора. Двуплечий рычаг 20, связывающий первую 6 и вторую 19 рейки топливного насоса, в данном случае при отключении электропитания поворачивается совместно с ротором 36.
Эффект от внедрения предлагаемой конструкции электронно-механического регулятора следует ожидать в улучшении эргономических свойств, связанных с уменьшением усилия на педали акселератора при работе в штатном режиме (т.е. в режиме регулирования с помощью его электронной части), а также в повышении безотказности дизеля, так как электронно-механический регулятор обеспечивает не только сохранение его работоспособности в случае выхода из строя своей электронной составляющей, но и обеспечивает автономную защиту дизеля от «ухода» в разнос.