УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА ДИЗЕЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Заявляемое решение относится к дизелестроению, в частности к устройствам управления топливоподачей дизеля, предназначенным для автоматического поддержания заданной частоты вращения вала и мощности дизеля.
Известно устройство электронного управления подачей топлива дизеля транспортного средства, содержащее блок питания, выход которого связан с одним из входов электронного блока управления, первичные преобразователи частоты вращения вала дизеля и фазовой отметки распределительного вала, давления масла и наддувочного воздуха, температуры воды и масла дизеля, выход каждого из которых связан с соответствующим входом электронного блока управления, блок силовых ключей и электромагнитные клапаны управления топливоподачей насосов высокого давления, причем вход электронного блока управления связан с выходом преобразователя частоты вращения вала дизеля, а выход - с входом блока силовых ключей (патент РФ №140643, МПК: F02D 41/30, опубл. 20.05.2014 г.) - прототип.
Недостатками известного решения являются низкая топливная эффективность и надежность дизеля транспортного средства при изменяющейся температуре наружного воздуха, так как при работе на переменных по частоте вращения вала режимах мощность и тепловые нагрузки дизеля в известном решении зависят только от заданной частоты вращения вала без учета влияния температуры наружного воздуха, в то время как при изменении температуры наружного воздуха (температуры окружающей среды), например при снижении температуры наружного воздуха ниже 40°С, режимы допустимых тепловых нагрузок дизеля могут быть реализованы при меньшей частоте вращения вала дизеля. Также недостатком прототипа является увеличенный расход мощности дизеля на привод вспомогательных нагрузок транспортного средства при снижении температуры наружного воздуха, поскольку привод этих нагрузок непосредственно зависит только от частоты вращения вала дизеля.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение топливной эффективности и надежности дизеля транспортного средства при работе на переменных по частоте вращения вала и мощности режимах, с учетом изменения температуры наружного воздуха.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство электронного управления подачей топлива дизеля транспортного средства, содержащее блок питания, выход которого связан с одним из входов электронного блока управления, первичные преобразователи частоты вращения вала дизеля и фазовой отметки распределительного вала, давления масла и наддувочного воздуха, температуры воды и масла дизеля, выход каждого из которых связан с соответствующим входом электронного блока управления, блок силовых ключей и электромагнитные клапаны управления топливоподачей насосов высокого давления, снабжено размещенным на дизеле первичным преобразователем температуры наружного воздуха, выход которого связан с входом электронного блока управления, содержащего связанные друг с другом два контура регулирования, первый из которых, а именно контур регулирования частоты вращения коленчатого вала дизеля, выполнен с возможностью поддержания заданной частоты вращения вала в зависимости от позиции контроллера управления транспортным средством и температуры наружного воздуха, а второй - контур регулирования мощности дизеля - выполнен с возможностью формирования сигнала для поддержания требуемой продолжительности подачи топлива в цилиндры в зависимости от заданной частоты вращения вала дизеля и температуры наружного воздуха, причем выход первого контура регулирования электронного блока управления связан с насосами высокого давления, выход второго контура регулирования - с тяговым генератором, а один из входов электронного блока управления - с контроллером управления транспортным средством.
Устройство, в котором выход первого контура регулирования электронного блока управления связан с топливными насосами высокою давления через блок силовых ключей и электромагниты, управляющие клапанами топливных насосов.
Устройство, в котором выход второго контура регулирования электронного блока управления связан с тяговым генератором посредством блока управления возбуждения генератора и возбудителя тягового генератора.
Заявляемое решение конкретизировано на фиг. 1-5, где на фиг. 1 представлена его блок-схема, на фиг. 2 и 3 - графический вид характеристик топливоподачи дизеля для температуры наружного воздуха, например, 20 и 40°С, а на фиг. 4 и 5 - характеристики топливоподачи и частоты вращения вала дизеля заявляемого устройства и прототипа.
Устройство электронного управления подачей топлива дизеля транспортного средства содержит блок питания 1, электронный блок управления 2, включающий контур регулирования частоты вращения коленчатого вала дизеля 3 и контур регулирования мощности 4 дизеля, установленные на дизеле 5 первичные преобразователи частоты вращения вала дизеля 6 и фазовой отметки распределительного вала 7, давления масла 8 и наддувочного воздуха 9, температуры воды 10 и масла 11 дизеля, температуры наружного воздуха 12, блок силовых ключей 13, электромагниты 14, управляющие клапанами топливных насосов, топливные насосы высокого давления 15, блок управления возбуждением тягового генератора дизеля 16, возбудитель тягового генератора 17, тяговый генератор 18, контроллер управления 19 транспортным средством.
Блок питания 1 предназначен для преобразования исходного напряжения в цепи управления транспортного средства в выходное стабилизированное напряжение питания, подаваемое к электронному блоку управления 2, для чего выход блока питания 1 связан с входом электронного блока управления 2.
Электронный блок управления 2 содержит устройства усилителя мощности, защиты, контроллера, интерфейса и индикации (на фигурах не показаны), выполненные с возможностью приема и преобразования сигналов, поступающих от первичных преобразователей 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и контроллера управления 19 транспортным средством (автоматизированной системы управления транспортным средством), для чего выходы первичных преобразователей 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и контроллера управления 19 транспортным средством связаны с соответствующими входами электронного блока управления 2. На основании полученных сигналов в электронном блоке управления 2 вырабатывается разностный сигнал, распределяемый по выходным силовым ключам в порядке очередности работы цилиндров, и подается сигнал на электромагниты 14, управляющие клапанами топливных насосов высокого давления 15, а также вырабатывается сигнал, управляющий возбуждением тягового генератора 18 дизеля транспортного средства, т.е. подаются сигналы в контур регулирования частоты вращения коленчатого вала 3 и в контур регулирования мощности 4 дизеля. Контур регулирования частоты вращения коленчатого вала 3 выполнен с возможностью формирования сигнала для поддержания заданной частоты вращения вала в зависимости от позиции контроллера управления транспортным средством и температуры наружного воздуха и связан с контуром регулирования мощности дизеля 4, который выполнен с возможностью формирования сигнала для поддержания требуемой продолжительности подачи топлива в цилиндры в зависимости от заданной частоты вращения вала дизеля и температуры наружного воздуха, т.е. от показателей контура 3. Контуры регулирования частоты вращения коленчатого вала 3 и мощности дизеля 4 формируют управляющие сигналы в блок силовых ключей 13 и в блок управления возбуждением 16 тягового генератора дизеля. Блок 16 через возбудитель 17 управляет тяговым генератором 18 дизеля. Топливные насосы высокого давления 15, выполненные с электромагнитами 14, управляющими встроенными электрогидравлическими клапанами, предназначены для обеспечения начала и заданной продолжительности цикловой подачи топлива в цилиндры дизеля 5 в зависимости от управляющего сигнала, подаваемого на электромагниты 14 от блока силовых ключей 13.
Преобразователь частоты вращения вала дизеля 6 предназначен для формирования частотного сигнала, пропорционального частоте вращения его вала. Преобразователь фазовой отметки распределительного вала 7 предназначен для формирования дискретного сигнала о положении поршня 1-го цилиндра дизеля 5 в верхней мертвой точке, соответствующей началу рабочего хода. Первичные преобразователи температуры (по типу, например, термометры сопротивления) предназначены для измерения текущих температур воды и масла 11 в системах охлаждения и смазки дизеля, температуры наружного воздуха (окружающей среды) 12. Преобразователь 12 может быть установлен в трубопроводе подвода воздуха к турбокомпрессору дизеля, для чего может быть использован термопреобразователь сопротивления - медный ТСН 9620-00 с НСХ50М или любой другой тип преобразователей с НСХ50М, выдерживающий уровень механических воздействий при работе на дизеле.
Работа данного устройства с обеспечением заявляемого технического результата основана на следующем. Для каждого типа дизеля и серии транспортного средства существует штатная тепловозная характеристика, т.е. зависимость мощности дизеля от частоты вращения его коленчатого вала. Как известно, мощность дизеля зависит от частоты вращения коленчатого вала дизеля, продолжительности топливоподачи в цилиндры и температуры наружного воздуха, однако, в настоящее время в штатной тепловозной характеристике последний параметр не учитывается. Также известно, что топливная эффективность дизеля на режиме полной мощности повышается при уменьшении частоты вращения вала, однако при этом увеличиваются тепловые и механические нагрузки в дизеле, что не позволяет системе охлаждения транспортного средства поддерживать их на допустимом уровне и снижает надежность дизеля. Предлагаемое устройство обеспечивает повышение надежности дизеля за счет совокупности элементов, их взаимного расположения и связей между ними, так как позволяет при его работе согласовать топливоподачу в дизель с частотой вращения коленчатого вала и температурой наружного воздуха (фиг. 2-5).
Характеристики топливоподачи дизелей, а также выбор интервалов температур наружного воздуха, обеспечивающих допустимые тепловые и механические нагрузки дизеля, могут быть определены расчетным и экспериментальным методом, при этом могут быть построены и использованы аналогичные графики не только для диапазона температур ниже 40°С, но и для любого другого диапазона температур наружного воздуха в зависимости от места дислокации и работы транспортных средств с заявляемым устройством. В данной заявке рассмотрен диапазон температур не выше 40°С, так как это наиболее вероятный диапазон наружных температур (температур окружающей среды) для территории РФ, однако заявляемое устройство будет работоспособно с обеспечением заявленного технического результата и при работе вне данною диапазона температур.
Заявляемое устройство в составе дизеля работает следующим образом на различных режимах.
Работа при запуске дизеля. После завершения подготовки дизеля 5 к пуску, когда система смазки обеспечила необходимые условия для безопасного вращения вала дизеля, система топливоподачи подвода топлива к топливным насосам высокого давления 15, а система запуска включения питания стартер-генератора дизеля, электронный блок управления 2 выдает сигнал, передаваемый на электромагниты 14 от блока силовых ключей 13, о времени начала и продолжительности подачи топлива в каждый цилиндр дизеля. При формировании этого сигнала в контуре регулирования частоты вращения вала 3 дизеля учитывается заданная частота вращения вала на режиме холостого хода (см. фиг. 3, режим минимальной частоты вращения вала), а также предусмотренное снижение продолжительности подачи топлива при достижении предельно допустимого значения сигналов первичных преобразователей частоты вращения вала 6 дизеля, давления масла 8, температуры воды 10 и масла 11 дизеля.
Работа на холостом ходу дизеля
Дизель 5, установленный на транспортном средстве, может работать на холостом ходу при различном положении контроллера управления (автоматизированной системы управления транспортным средством) 19. При работе на каждой позиции контроллера управления в контуре регулирования частоты вращения вала 3 дизеля определяется для каждого конкретного случая работы (например, см. фиг. 3 для температуры наружного воздуха 40°С) заданная частота вращения вала в зависимости от температуры наружного воздуха. Контур регулирования 3 поддерживает заданную частоту вращения вала за счет изменения продолжительности подачи топлива в цилиндры дизеля.
Работа системы электронного управления подачей топлива в дизель на режимах тяги транспортного средства. При включении тяговой передачи транспортного средства дизель 5 работает под нагрузкой при различном положении контроллера управления (автоматизированной системы управления транспортным средством) 19. При этом заданная продолжительность подачи топлива на каждом положении контроллера управления и заданная частота вращения вала дизеля определяются по фиг. 2 и 3 в зависимости от температуры наружного воздуха. Контур регулирования частоты вращения вала 3 поддерживает заданное значение частоты за счет изменения продолжительности подачи топлива в цилиндры дизеля. Контур регулирования мощности дизеля 4 поддерживает заданное значение продолжительности подачи топлива в цилиндры дизеля за счет изменения возбуждения тягового генератора 18.
Для повышение топливной эффективности и надежности дизеля транспортного средства при температуре наружного воздуха ниже, например, 40°С электронный блок управления 2 через контуры регулирования частоты вращения коленчатого вала 3 и мощности 4 переводит дизель на работу в режимах пониженной частоты вращения вала, на которых работа дизеля более надежна, а сами режимы более экономичны по расходу топлива, чем исходные.
Примеры конкретного выполнения
Пример 1
-1
-1
При заданном положении контроллера управления, например 9 позиция контроллера автоматизированной системы управления транспортным средством, и измеренной первичным преобразователем 12 температуры наружного воздуха, например 40°С, в электронном блоке управления 2 (фиг. 1), включающем контур регулирования частоты вращения коленчатого вала дизеля 3, определяется заданная частота вращения вала дизеля 5. Указанный порядок определения показан стрелкой на фиг. 3, из которой видно, что заданная частота вращения вала составит 700 мин. Далее при полученной частоте вращения вала и измеренной температуре наружного воздуха по фиг. 2 определяется заданная продолжительность подачи топлива в цилиндры дизеля. Видно, что она составит 14 градусов поворота вала дизеля. Если дизель будет работать на том же положении контроллера управления (9 позиция), но температура наружного воздуха снизится, например, до 20°С, то заданная частота вращения вала снизится почти до 600 мин, а заданная продолжительность подачи топлива в цилиндры увеличится почти до 16 градусов поворота вала дизеля. В результате при неизменной мощности дизеля повысится его надежность из-за снижения механических потерь в дизеле, а также понизится расход топлива в том числе за счет уменьшения затрат мощности на привод вспомогательных нагрузок транспортного средства.
Пример 2
-1
На фиг. 4 и 5 показаны две характеристики топливоподачи для заявляемого устройства и прототипа, на которых рассмотрены два режима А и Б работы дизеля типа Д49 тепловоза 2ТЭ116 на 15 позиции контроллера управления (мощности дизеля близки между собой), различающиеся частотой вращения вала и температурой наружного воздуха. Снижение частоты вращения вала с 1000 до 850 мин и температуры наружного воздуха с +40°С до 20°С приводит к уменьшению удельного расхода топлива дизеля с 239,1 до 226.3 г/кВтч, т.е. на 5,35%. Указанное снижение частоты вращения вала дизеля обеспечивает снижение механических потерь в дизеле на 15%, что позволяет повысить надежность цилиндропоршневой группы дизеля, а, следовательно, и всего дизеля.
Таким образом, заявляемое решение позволяет повысить надежность дизеля и защитить дизель от тепловых и механических перегрузок при работе на переменных по частоте вращения вала и мощности режимах при достижении предельно допустимого значения сигнала одного из первичных преобразователей или комплексного сигнала, включающего сигналы нескольких первичных преобразователей, путем того, что первый контур регулирования выполнен с возможностью снижения частоты вращения коленчатого вала или его остановки, а второй контур регулирования выполнен с возможностью снижения заданной продолжительности подачи топлива или прекращения ее подачи в цилиндры дизеля при достижении предельно допустимого значения сигнала каждого из первичных преобразователей частоты вращения вала дизеля, давления масла и наддувочного воздуха, температуры воды и масла дизеля или комплексного сигнала, включающего сигналы нескольких первичных преобразователей, что необходимо для защиты дизеля от тепловых и механических перегрузок при работе на переменных по частоте вращения вала и мощности режимах.