СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ ДИЗЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO CONTROL DIESEL ENGINE OUTPUT AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к устройствам для управления мощностью двигателя внутреннего сгорания, в дальнейшем ДВС, на стационарных установках и мобильном транспорте, на тракторах с любым типом трансмиссии, в частности с электротрансмиссией, для реализации широкого спектра технологий в сельском хозяйстве (пахота, обмолот валков комбайнами, укладка валков жатками), для строительно-дорожных машин и технологий, реализуемых с их помощью, в автомобильном и железнодорожном транспорте.
Известен способ управления мощностью дизеля (Сергеев В.М. Новый способ впрыскивания топлива в форсированных дизелях // Автомобильная промышленность. - 1998 - №1 - C.13-15), заключающийся в том, что подают дополнительное количество топлива в цилиндры через форсунки с двумя уровнями отверстий, причем в последовательности сначала через первый уровень отверстий, а затем через второй уровень отверстий и подачу топлива через второй уровень отверстий осуществляют одновременно, и большую часть цикла, с подачей топлива через первый уровень.
При этом количество топлива в цилиндры подается больше, чем может быть подано за то же время через форсунку с одним уровнем отверстий.
Этот способ обеспечивает предвпрыск или «пилотный впрыск» через отверстия первого уровня и лучшее сгорание топливной смеси. При этом предвпрыск реализуется за счет более быстрого срабатывания первого запирающего элемента: иглы, а основная порция топлива впрыскивается через отверстия второго уровня. Задержка по времени подачи топлива через второй уровень отверстий обусловлена только жесткостью пружины, подпружинивающей втулку, и является минимальной и этим обеспечивается максимально возможное количество топлива, которое может быть подано в цилиндр за заданное время впрыска.
Этот способ не позволяет изменять заданный уровень мощности в зависимости от времени впрыска топлива, в зависимости от уровня возмущений, не позволяет подавать требуемое количество воздуха для эффективного сжигания дополнительного количества топлива.
Известно устройство (Сергеев В.М. Новый способ впрыскивания топлива в форсированных дизелях. // Автомобильная промышленность. -1998 - №1 - С.13-15), содержащее форсунку с двумя уровнями отверстий, управляемую подпружиненными иглой и втулкой.
Это устройство позволяет повысить верхнюю границу мощности за счет того, что имеет два уровня отверстий для впрыска топлива.
Устройство реализует два последовательных впрыска: сначала через отверстия нижнего уровня с меньшим проходным сечением, затем через отверстия верхнего уровня с большим проходным сечением.
При этом обеспечивается выигрыш индикаторных показателей в силу того, что происходит «предвпрыск» малой порции топлива при движении поршня к ВМТ, а затем впрыскивается основная порция топлива в уже горящий факел через отверстия большего диаметра и при большем давлении, которое обеспечивается пружиной втулки.
Поскольку впрыскивание через верхний ряд отверстий происходит при большем давлении, то качество распыливания при этом не страдает.
Фаза впрыскивания через верхний ряд короче фазы впрыскивания через нижний ряд и поэтому истечение топлива начинается и заканчивается через нижний ряд отверстий.
Поскольку известно, что от начальной фазы впрыска и количества подаваемого в этот момент топлива сильно зависят закон сгорания топлива и динамика роста давления в цилиндре, то предлагаемый способ предполагает впрыск небольшой порции топлива через отверстия верхнего уровня для сохранения благоприятной динамики при сжигании топлива в цилиндре. Тем самым ограничиваются по диаметру отверстия верхнего уровня и, следовательно, возможности по сжиганию больших объемов топлива, которые могли бы обеспечить реализацию номинальных режимов мощности, форсированных режимов мощности или реализации заданных по определенным законам режимов мощности.
Это устройство не позволяет стабилизировать мощность на заданном уровне по производной от возмущения.
Оно не позволяет реализовать режим стабилизации мощности в силу того, что устройство работает с всережимным регулятором подачи топлива в дизеле, спроектированном на работу с запасом по моменту.
Это означает известное: с ростом нагрузки и уменьшением частоты вращения коленчатого вала дизеля уменьшается мощность, развиваемая дизелем, а поддержание мощности на постоянном уровне с целью эффективной в смысле производительности реализации многих технологий возможно на дизелях только с помощью дорогих изодромных регуляторов, которые не могут быть применены в мобильных тракторных агрегатах и на транспорте.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство управления мощностью двигателя внутреннего сгорания, выбранное в качестве прототипа (Погуляев Ю.Д., Наумов В.Н. Сергеев В.М. Новый способ регулирования топливоподачи дизеля - Механизация строительства - 2005 - №1 - с.10-13), содержащее форсунку с двумя уровнями отверстий, управляемую электроклапаном. Однако в этом устройстве электроклапан форсунки не позволяет регулировать длительность впрыска топлива, а позволяет задавать по сути дела только определенный уровень мощности.
Устройство не может работать в системе автоматического управления форсирования двигателя, в том числе при управлении по производной от возмущения в узком диапазоне изменения частоты вращения вала дизеля, когда дизель используется как источник постоянного момента.
Это устройство не позволяет изменять время подачи топлива через форсунки с двумя уровнями отверстий при управлении по производной от возмущения и, следовательно, не позволяет реализовать номинальный режим или режим при мощности, большей номинальной, так как не может работать в режиме постоянства мощности при изменении внешних нагрузок.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ управления мощностью дизеля (Патент DE №102006035412, опубл. 10.05.2007), заключающийся в том, что подают топливо в цилиндры через форсунки с двумя уровнями в последовательности сначала через второй уровень отверстий, а затем через первый уровень отверстий, причем подачу топлива через первый уровень отверстий осуществляют с некоторой задержкой после начала подачи топлива через второй уровень, а затем осуществляют одновременно, но меньшую часть времени цикла, с подачей топлива через второй уровень, изменяют длительность импульсов подачи топлива изменением давления подачи топлива в зависимости от ограничений по окислам азота. В этом способе длительность впрыска определяется изменением давления от гидроаккумулятора подачи топлива.
Ограничение подачи по времени также связано с предельным временем цикловой подачи. Это время ограничено определенным углом поворота коленчатого вала во всех известных дизелях, т.к. этот предельный угол и определяет эффективность термодинамического цикла.
При этом через первый уровень отверстий в связи с задержкой на большую часть времени цикла может быть подано меньшее количество топлива, чем в том случае, когда отверстия первого уровня были бы открыты большее время цикла.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство управления мощностью двигателя внутреннего сгорания, выбранное в качестве прототипа (Васильев В. Системы впрыска топлива современных дизельных двигателей. Автомобильный транспорт, 2002, №2, стр.30-32), содержащее дизель с турбокомпрессором, гидроаккумулятор, группу электроуправляемых по времени с электромагнитными клапанами и с двумя уровнями отверстий для впрыска, подсоединенную к системе подачи топлива, электронный блок управления форсунками и наддувом (ЭБУФН), датчик и задатчик частоты вращения вала дизеля, определители знака возмущающего воздействия, дифференцирующие устройство для возмущающего воздействия.
Недостатком устройства является отсутствие возможности регулирования подачи порции топлива в функции времени в широких пределах, необходимых для создания номинальных или форсажных режимов. Невозможно, в частности, управление мощностью для поддержания номинального уровня мощности при резко переменной нагрузке.
Задачей изобретения является расширение диапазона управления мощностью во времени, управление мощностью при изменении внешних возмущений и превращения за счет этого дизеля в источник управляемого момента.
Это достигается тем, что способ управления мощностью дизеля заключается в том, что нагнетают воздух в цилиндры дизеля, подают порции топлива в цилиндры дизеля через форсунки с двумя уровнями отверстий, осуществляют термодинамический цикл и управляют временем впрыска во время термодинамического цикла, изменяя уровень мощности, причем уровень мощности изменяют в зависимости от величины и знака производной приращения частоты вращения по времени, изменяя длительность импульса управления обмоткой электромагнитного клапана форсунки.
Способ реализует заданный номинальный (или выше номинального уровень) уровень мощности за счет впрыска топлива через два уровня отверстий, причем большую часть цикла времени цикла топливо подается через два уровня отверстий и одновременно.
Способ позволяет изменять длительность подачи топлива в зависимости от возмущений по производной от возмущений и позволяет поддерживать или стабилизировать мощность на требуемом (номинальном, в том числе, уровне) заданном уровне в рамках небольших отклонений.
Дополнительная подача топлива осуществляется путем впрыска в единицу времени большего количества топлива, которое подается через большее количество отверстий, расположенных на двух уровнях запорного конуса.
Изменение уровня мощности по производной приращения частоты вращения вала дизеля по времени позволяет сделать дизель источником управляемого момента, то есть предлагаемый способ управления придает дизелю новое качество.
Также поставленная задача осуществляется тем, что в устройстве для управления мощностью дизеля, содержащем дизель с турбокомпрессором, гидроаккумулятор, группу электроуправляемых по времени с электромагнитными клапанами и с двумя уровнями отверстий для впрыска, подсоединенную к системе подачи топлива, электронный блок управления форсунками и наддувом (ЭБУФН), датчик и задатчик частоты вращения вала дизеля, определители знака возмущающего воздействия, дифференцирующие устройство для возмущающего воздействия, ЭБУФН электрически соединен с обмотками управления электромагнитных клапанов форсунок.
При этом устройство для управления мощностью снабжено дополнительным воздушным компрессором с трубопроводом и ресивером, соединенными управляемым воздухопроводом с входным коллектором, и содержит дополнительно электронный блок управления воздухопроводом, электрически связанный с ЭБУФН.
Наличие электроуправляемых форсунок с двумя уровнями отверстий позволяет осуществлять управляемый во времени дополнительный впрыск топлива при более низких давлениях и улучшенном качестве впрыска за счет наличия большего количества отверстий для впрыска и увеличения за счет этого времени на управление впрыском во время цикла.
Наличие турбокомпрессора, рассчитанного на мощность несколько выше номинальной, позволяет уверенно реализовать номинальный режим и режимы мощности выше номинальной при изменении времени подачи топлива за счет системы автоматического управления (в дальнейшем САУ) топливоподачей.
Выполнение в блоке управления форсунками датчика и задатчика частоты вращения вала дизеля, определителей знака возмущающего воздействия, дифференцирующих устройств для возмущающего воздействия позволяет осуществлять управление подачей топлива по производной от возмущения и улучшить динамику управления мощностью дизеля в узком диапазоне частоты вращения.
Наличие дополнительного компрессора с ресивером, соединенного трубопроводом через управляемый элемент, с насосным колесом турбокомпрессора позволяет подавать управляемое во времени дополнительное количество воздуха в цилиндры для сжигания дополнительной порции топлива, необходимое для реализации режимов выше номинальных при повторно-кратковременных и резких изменениях режимах нагрузки, корректировать динамику подачи воздуха турбокомпрессором путем кратковременного подключения дополнительного компрессора, а также обеспечивать запуск дизеля в различных температурных условиях.
Перечисленные признаки позволяют достигать в целом существенно нового технического результата по управлению мощностью дизеля, по созданию номинальных режимов мощности при длительной нагрузке и режимов мощности выше номинальной при повторно-кратковременных режимах.
Применение форсунки с двумя уровнями отверстий позволяет создать новую систему управления впрыском в функции времени, предлагаемую в заявляемом изобретении.
Способ управления реализуется следующим образом.
Подают топливо через отверстия форсунок первого уровня и одновременно подают дополнительное количество топлива через отверстия форсунок второго уровня. Одновременно нагнетают дополнительное количество воздуха в цилиндр, осуществляют термодинамический цикл, изменяют мощность относительно заданного уровня.
Номинальный режим мощности создается за счет установки номинальной длительности управления впрыском топлива через отверстия двух уровней.
Режим мощности ниже номинального создается за счет уменьшения длительности управления впрыском топлива через отверстия двух уровней относительно номинального.
Режим мощности выше номинального создается за счет увеличения длительности управления впрыском топлива через отверстия двух уровней относительно номинального.
Заявляемый способ реализуется при помощи устройства для управления мощностью дизеля.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана блок схема работы устройства; на фиг.2 показаны временные диаграммы работы электронно-управляемых форсунок; на фиг.3 показана форсунка с двумя уровнями отверстий и электроклапаном; на фиг.4 показана система управления мощностью дизеля.
ДИЗ
ДИЗ
ДИЗ
Устройство состоит из задатчика (фиг.1) 1 и датчика 2 частоты вращения дизеля, устройства сравнения 3, соединенного на выходе с нуль-органами 4 и 5 для определения знака разницы приращения частоты вращения дизеля Δn(t) дифференцирующих устройств величины разницы или приращения частоты вращения дизеля Δn(t) 6 и 7, каждое из которых соединено с двумя нуль-органами для определения знака производной  приращения частоты вращения вала дизеля Δn(t) в единицу времени Δt - 8, 9 и 10, 11, причем нуль-орган 8 определяет знак производной приращения частоты вращения вала  дизеля
ДИЗ
при приращении частоты вращения Δn(t)>0, нуль - орган 9 определяет знак производной приращения частоты вращения вала дизеля
ДИЗ
при Δn(t)>0; нуль-орган 10 определяет знак производной частоты вращения вала дизеля
ДИЗ
при Δn(t)<0, нуль-орган 11 определяет знак производной приращения частоты вращения вала дизеля
ДИЗ
при Δn(t)<0,
ДИЗ
где:  - производные приращения частоты вращения по времени для приращений частоты вращения разного знака, а ±Δn(t) - приращения частоты вращения при изменении внешней нагрузки. Выходы нуль-органов 8, 9, 10, 11 соединены с электронным блоком управления форсункой и наддувом 12 (далее блок ЭБУФН 12). Блок ЭБУФН 12 имеет ручку 13 для ручной установки времени управления обмоткой управления электроклапаном 14. Блок ЭБУФН 12 также соединен с обмоткой управления электромагнитным клапаном 15. На фиг.2 показаны:
а) номинальное значение частоты вращения вала дизеля (постоянный закон) с зоной нечувствительности ±χ и номинальная длительность сигнала управления на обмотке электроклапана 14 форсунки 16 (не показаны);
ДИЗ
б) рост частоты вращения вала дизеля в виде приращения частоты вращения Δn(t)>0 при перегрузке агрегата при положительной производной приращения частоты вращения вала дизеля по времени
НОМ
МАКС
НОМ
МАКС
и рост длительности от t до t - сигнала управления на обмотке электроклапана 14 форсунки 16, где: t и t - номинальное и максимальное время управления впрыском во время термодинамического цикла, a  - производная приращения частоты вращения вала дизеля по времени;
в) уменьшение частоты вращения вала дизеля при некотором снижении перегрузки при отрицательной производной приращения частоты вращения
МАКС
НОМ
НОМ
МАКС
и уменьшение длительности от t до t сигнала управления на обмотке электроклапана 14 форсунки 16, где где t и t номинальное и максимальное время управления впрыском во время термодинамического цикла, а  - производная приращения частоты вращения по времени;
ДИЗ
г) уменьшение приращения частоты вращения вала дизеля Δn(t)<0, при отрицательной производной приращения частоты вращения вала дизеля
НОМ
МИН
НОМ
МИН
ДИЗ
и уменьшение длительности от t до t сигнала управления на обмотке электроклапана 14 форсунки 16, где t и t номинальное и минимальное время управления впрыском во время термодинамического цикла,  - производная приращения частоты вращения вала дизеля по времени, Δn(t)<0 - величина приращения частоты вращения;
ДИЗ
д) увеличение приращения частоты вращения вала дизеля Δn(t)<0 при недогрузке агрегата при положительной производной частоты вращения
МИН
НОМ
НОМ
МИН -
ДИЗ
и рост длительности от t до t сигнала управления на обмотке электроклапана 14 форсунки 16, где: t и t номинальное и минимальное время управления впрыском во время термодинамического цикла,  - производная приращения частоты вращения вала дизеля по времени, Δn(t)<0 величина приращения частоты вращения.
На фиг.3 показана форсунка 16, содержащая два ряда сопловых отверстий 17 разного уровня. Один ряд перекрывается иглой 18, поджатой пружиной 19. Соосно игле 18 выполнена втулка 20, поджатая пружиной 21. Полости над иглой 18 и втулкой 20 сообщаются через дроссель 22 с источником высокого давления (на фиг.3 не показан) через управляющий клапан 23, открываемый электроклапаном 14, со сливом (на фиг.3 не показан).
На фиг.4 показана система управления мощностью дизельного двигателя. В корпусе дизельного двигателя показан впускной воздушный коллектор 24, с которым соединено выходное колесо турбокомпрессора 25. Дополнительный воздушный компрессор 26 соединен с ресивером 27 через клапан регулирования давления 28 в ресивере 27. В свою очередь ресивер 27 через управляемый электромагнитный клапан 15, управляемый блоком ЭБУФН 12, соединен с впускным воздушным коллектором 24.
Топливный насос высокого давления (в дальнейшем ТНВД) 29 соединен с топливным баком 30 через топливный фильтр 31, а выход ТНВД 29 соединен трубопроводом с гидроаккумулятором топлива (в дальнейшем ГА) 32 через датчик давления 33.
ГА 32 соединен через клапан регулирования давления 34 со сливной топливной магистралью 36, которая соединена с топливным баком 30. Дроссели 35 соединены с ГА 32 и форсунками 16 для подачи топлива в цилиндры на входе, а на выходе форсунки 16 соединены со сливной топливной магистралью 36. На блок ЭБУФН 12 поступают сигналы с датчика положения 37 рычага подачи топлива 13, от группы датчиков (не обозначены). Блок ЭБУФН 12 соединен электрически с датчиком давления 33, клапаном регулирования давления 34, обмоткой управления электромагнитного клапана 15 подачи воздуха от ресивера 27, обмотками управления электромагнитными клапанами 14 форсунок 16 (по числу цилиндров ДВС) для подачи топлива.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Ручкой ручного управления 13 ДВС выводится на номинальный режим управления, а затем устанавливается автоматический режим работы. Сигнал с датчика 37 рычага подачи топлива поступает на блок ЭБУФН 12.
ном
При номинальном режиме блок ЭБУФН 12 выдает на обмотку управления электроклапана 14 форсунки 16 сигнал номинальной длительности 1 (фиг.2а), при котором дизель развивает номинальную (заданную) мощность. При этом номинальная частота вращения дизеля не превышает пределы заданной зоны нечувствительности ±χ - состояние системы управления по фиг.2а, где: ±χ - величина уставки зоны нечувствительности для приращения частоты вращения дизеля.
ном
Форсунка 16, управляемая сигналом номинальной длительности t, позволяет впрыснуть через отверстия обоих уровней форсунки (фиг.3) количество топлива, соответствующее номинальному режиму мощности.
ЗАД
ДАТ
ДИЗ
ДИЗ
ДИЗ
ЗАД
ДАТ
ДИЗ
ДИЗ
ДИЗ
ДИЗ
ДИЗ
При росте нагрузки снижается частота вращения вала дизеля, на датчике 2 появляется сигнал, а также появляется сигнал (n-n=Δn>0 на выходе устройства сравнения 3 при приращении частоты вращения Δn(t)>0 и превышения порога уставки χ, приращения частоты вращения дизеля Δn(t)>χ; χ  - величина уставки зоны нечувствительности приращения частоты вращения, n - частота вращения дизеля, задаваемая электронным задатчиком, n. - частота вращения дизеля, измеряемая датчиком частоты вращения, Δn>0 - положительная разница датчика и задатчика частоты вращения. Этот сигнал поступает на нуль-орган 4, а затем на дифференцирующее устройство 5 в силу того, что величина производной приращения частоты вращения вала дизеля  при положительном приращении частоты вращения по времени Δn(t)>0 и росте возмущения по частоте вращения вала дизеля (величины Δn(t)), где, соответственно, Δn(t),  - приращение частоты вращения дизеля, производная частоты вращения по времени дизеля. При росте перегрузки или момента сопротивления на входе дизеля растет величина приращения частоты вращения дизеля Δn(t).
ДИЗ
НОМ
МАКС
НОМ
МАКС
Поскольку момент, развиваемый дизелем, и частота вращения изменяются нелинейно, то их произведение, являющееся полезной мощностью дизеля Р=Мn, всегда уменьшается. Это обусловлено также такими реально существующими свойствами механических характеристик дизеля, которые делают невозможным полное использование мощности при росте нагрузки или момента сопротивления на входе дизеля, что является главной и нерешенной проблемой при эксплуатации дизеля. Во избежание этого блок ЭБУФН 12 дает сигнал на постепенное автоматическое увеличение длительности импульса управления обмоткой электроклапана 14 форсунки 16 по требуемому закону во времени в зависимости от величины и знака производной приращения частоты вращения по времени , где:  - производные приращения частоты вращения разного знака. Состояние системы топливоподачи, в дальнейшем САУ, показано на фиг.2б. Наблюдается рост длительности сигнала на обмотке управления электроклапаном 14 до максимально возможного при росте отклонения приращения частоты вращения по времени Δn(t) во время (от t до t - фиг.2б (где: соответственно t, t - номинальное и максимальное время управления впрыском во время термодинамического цикла, при которых дизель развивает номинальную и максимальные мощности соответственно).
Рост длительности сигнала управления обмоткой управления электроклапаном 14 зависит от величины производной приращения частоты вращения вала дизеля по времени . Чем быстрее происходит изменение производной приращения частоты вращения по времени , тем быстрее время управления обмоткой электроклапаном 14 нарастает до максимального значения от номинального или уменьшается от номинального до минимального.
С увеличением времени открытия форсунки 16 увеличивается топливоподача сверх номинальной через сопловые отверстия 17 на двух уровнях. Увеличивается мощность ДВС и развиваемый им момент при изменении оборотов в небольших пределах. Отклонения частоты вращения дизеля за пределы зоны нечувствительности будет минимальной.
Пример 1. Работа дизеля при режиме увеличения мощности выше номинальной.
ДИЗ
ДИЗ
Пусть величина частоты вращения дизеля Δn(t), как приращение во времени, начинается снижаться. Величина приращения частоты вращения дизеля Δn(t) будет положительной, но производная приращения частоты вращения дизеля по времени  изменит знак при положительном приращении частоты вращения
ДИЗ
Δn(t)>0 и будет отрицательной .
МАКС
НОМ
МАКС
НОМ
В этом случае сигнал поступает на вход нуль-органа 9 и через него к блоку БУФН 12. Сигнал, поступаемый на обмотку управления электроклапана 14 форсунки 16, начинает уменьшаться по длительности вплоть до номинального или заданного от максимального (от t до t или заданного - фиг.2в, где: соответственно t, t - максимальное и номинальное время управления впрыском во время термодинамического цикла).
Произойдет возврат к номинальному или заданному режиму подачи топлива и номинальному или заданному режиму мощности. Частота вращения вала дизеля вернется в заданные пределы. Состояние САУ показано на фиг.2в, где стрелками указано уменьшение длительности сигнала управления обмоткой электроклапана 14 форсунки 16 при уменьшении сигнала отклонении частоты вращения дизеля от номинального или любого другого заданного значения и при ее увеличении.
Как и при нарастании сигнала, поступаемого на обмотку электроклапана 14 управления форсункой 16, уменьшение длительности сигнала может осуществляться по различным законам и алгоритмам, определяемыми технологиями, которые реализует тот или иной тракторный агрегат с дизелем. При этом может быть предусмотрено алгоритмом управления изменения времени впрыска изменение начала возврата времени управления топливоподачей после смены знака производной к исходному заданному (номинальному) значению. Начало возврата к номинальной (заданной) длительности управления подачей топлива может быть выполнено с задержкой по времени. Эта задержка определяется характером технологии и определяется (задается) ЭБУФН 12.
ДИЗ
Изменение режима работы агрегата с дизелем будет происходить в течение нескольких (нескольких десятков или сотен) термодинамических циклов по мере увеличения или уменьшения величины ±Δn.
ДИЗ
ДИЗ
-
Если при недогрузке тракторного агрегата и дизеля соответственно значение отклонения приращения частоты вращения дизеля со знаком минус - Δn(t)<0 превысит порог зоны нечувствительности со знаком минус -Δn<χ, то САУ перейдет в режимы управления при недогрузке ДВС.
ДИЗ
ДИЗ
-
ДИЗ
В случае, если приращение частоты вращения дизеля со знаком минус - Δn(t)<0 станет меньше значения порога зоны нечувствительности со знаком минус (Δn(t)<χ, где: соответственно -Δn(t) - величина приращения частоты вращения дизеля, -χ - величина порога зоны нечувствительности со знаком минус), то сигнал поступит на нуль-орган 5 и через него на ДУ 7. С выхода ДУ 7 сигнал поступит на входы двух нуль-органов 10 и 11. При отрицательном знаке производной первый нуль-орган 10 определяет знак производной приращения частоты вращения дизеля  и при приращении частоты вращения со знаком минус
ДИЗ
ДИЗ
-
ДИЗ
-Δn(t)<0 (-Δn(t)<χ, отрицательном знаке отклонения по приращению частоты вращения (недогрузке агрегата); при положительном знаке производной приращения частоты вращения  и недогрузке дизеля второй нуль-орган 11 определяет знак производной частоты вращения дизеля  при приращении частоты вращения со знаком минус -Δn(t)<0.
ДИЗ
Прохождение сигнала через нуль-орган 10 означает рост или увеличение недогрузки (увеличение частоты вращения дизеля и увеличение отрицательного приращения величины частоты вращения -Δn(t)<0 относительно уставки -χ или величины зоны нечувствительности -χ), и поэтому производная изменения приращения частоты вращения дизеля отрицательна .
Необходимо принять меры по уменьшению мощности и снижению крутящего момента дизеля в целях экономии топлива дизель или догрузить дизель.
ДИЗ
НОМ
МИН
Состояние САУ при режиме недогрузки дизеля показано на фиг.2 г. Рост недогрузки ведет к уменьшению длительности сигнала управления обмоткой электроклапана 14 форсунки 16 при росте величины отклонения-приращения Δn(t) частоты вращения в сторону недогрузки от номинального до минимального (от t до t).
Это означает, что уменьшается количество подаваемого топлива в цилиндры, уменьшается мощность дизеля в соответствии с нагрузкой. Это способствует экономии горючего дизеля.
При смене знака производной, когда рост частоты вращения вала дизеля прекратится, переход к управлению по увеличению времени впрыска до номинального также нужно производить с задержкой. Время задержки при компенсации возмущения равно времени управления впрыском до смены знака производной приращения частоты вращения по времени  которая определяется (задается или оперативно рассчитывается) блоком ЭБУФН 12 в зависимости от величины производной.
Пример. 2 Работа дизеля при режиме уменьшения мощности ниже номинальной.
При положительном знаке производной приращения частоты вращения вала дизеля по времени
ДИЗ
ДИЗ
ДИЗ
-
при приращении частоты вращения - Δn(t)<0 нуль-органом 11 определяется знак производной приращения частоты вращения по времени  при приращении частоты вращения дизеля со знаком минус -Δn<0 (-Δn<χ, где -χ - величина уставки зоны нечувствительности по частоте вращения со знаком минус.
Состояние САУ топливоподачи показано на фиг.2д. Знак производной сменился и недогрузка дизеля уменьшается. Частота вращения вала дизеля уменьшилась, так как уменьшился на предыдущем этапе впрыск топлива за счет уменьшения времени впрыска ниже номинального уровня (вплоть до минимального) и уменьшился развиваемый дизелем момент, который вызывает рост частоты вращения.
НОМ
ДИЗ
Происходит возвращение к номинальному режиму топливоподачи, когда время открытия клапана электронно-управляемой форсунки равно номинальному t. Поскольку приращение частоты вращения дизеля со знаком минус -Δn(t)<0, то есть частота вращения выше номинальной, но начинает уменьшаться с ростом нагрузки, то необходимо загодя увеличить топливоподачу, чтобы избежать случайного увеличения частоты вращения вала дизеля при внезапном и кратковременном увеличении нагрузки.
МИН
НОМ
Происходит постепенное увеличение времени топливоподачи за счет увеличения длительности подачи импульса на обмотку электроклапана 14 форсунки 16 (от t до t). Увеличение времени впрыска имеет принципиальное значение для постепенного увеличения объема отходящих газов, увеличения частоты вращения турбины и компрессора, увеличения давления наддува.
Увеличение давления наддува необходимо для подачи в цилиндры необходимого количества воздуха, требуемого для сжигания увеличенной дозы топлива.
Увеличение недогрузки приводит при заданном уровне топливоподачи к увеличению частоты вращения дизеля и требует уменьшения цикловой топливоподачи топлива и воздуха, приводит к снижению вращающего момента дизеля и к снижению мощности ДВС.
Увеличение перегрузки приводит к снижению частоты вращения дизеля, требует увеличения цикловой топливоподачи и цикловой подачи воздуха, приводит к увеличению момента и мощности дизеля. Таким образом, осуществляется управление мощностью дизеля при изменении нагрузки или частоты вращения.
Любой выход частоты вращения за пределы зоны нечувствительности, заданной уставкой ±χ, вызывает работу САУ топливоподачей (оперативное управление временем топливоподачи) по производной от приращения частоты вращения дизеля по времени и возврат частоты вращения в заданные пределы.
В данном случае управление мощностью (впрыском топлива) происходит в узком диапазоне изменения частоты вращения. При этом мощность, развиваемая дизелем, будет либо больше или равной номинальной, либо меньше или равной номинальной мощности. Это позволяет осуществлять дозирование впрыска при постоянном давлении ГА за счет изменения времени впрыска.
Увеличение длительности впрыска способствует увеличению мощности дизеля за счет того, что увеличивается момент, развиваемый дизелем при малых изменениях частоты вращения, заданных зоной нечувствительности ±χ для приращения частоты вращения вала дизеля.
Регулирование мощности или развиваемого момента путем регулирования длительности впрыска придает дизелю новое качество: способность реагировать на перегрузки без потери частоты вращения и, следовательно, без потери производительности агрегата.
Электрогидравлическая форсунка с двумя уровнями отверстий работает следующим образом.
Топливо подается ТНВД 29 из топливного бака 30 через топливный фильтр 31 в ГА 32 через датчик давления 33. Через клапан регулирования давления в ГА 32 топливо поступает в сливную топливную магистраль низкого давления 36, соединенную с топливным баком 30. Клапан регулирования давления 34 для ГА 32 позволяет установить одинаковое давление на входе всех форсунок, которое не зависит от частоты вращения вала дизеля. Топливо (контур высокого давления) для сжигания в цилиндрах во время впрыска поступает из ГА 32 через дроссели 35.
В положении, близком к верхней мертвой точке (в дальнейшем ВМТ), и при движении поршня к нижней мертвой точке (в дальнейшем НМТ в цилиндр подается топливо с помощью форсунки 16 с двумя рядами отверстий 17 для впрыска топлива (фиг.3). Подается первая «пилотная» порция топлива. Форсунка 16 включает корпус распылителя (не обозначен), в котором выполнены два ряда сопловых отверстий 17. Нижний ряд отверстий 17 запирается иглой 18, поджатой пружиной 19. Верхний ряд отверстий 17 запирается конусной втулкой 20, соосной игле 18 и поджатой пружиной 21.
Топливо от ГА 32 подается в форсунку 16 через дроссель 22 (фиг.3). Клапан 23 отжимается при подаче напряжения на обмотку электромагнита 14. Из ГА 32 через нагнетательный канал и радиальные отверстия во втулке 20 топливо поступает в полости иглы 18 и втулки 20 над запорными конусами с дифференциальными площадками, сила давления топлива на которые перекрывается силой затяжки пружин 19 и 21. Сила затяжки пружин 19 и 21 в форсунке 16 с двумя уровнями может быть снижена, так как число отверстий второго уровня и их диаметр могут быть выбраны такими, что при давлении более низком, чем при давлении в форсунке с одним уровнем отверстий, в цилиндр будет поступать требуемое для реализации цикла топливо при примерно постоянной частоте вращения вала дизеля.
Полости над иглой 18 и втулкой 20 сообщаются через впускной дроссель 22 с нагнетательным каналом (не обозначен) и через управляющий клапан 23, открываемый электроклапаном 14, со сливом. При подаче электрического импульса на катушку электромагнита 14 открывается клапан 23, что приводит к резкому падению давления топлива в полостях над иглой 18 и втулкой 20 в результате соединения их со сливом, причем это происходит значительно быстрее, чем в нижних полостях из-за высокого гидравлического сопротивления впускного дросселя 22, через который сообщаются верхние и нижние полости. В результате возникающего при этом перепада давления сила затяжки пружин 19 в совокупности с силой давления топлива на иглу 18 сверху становится меньше силы давления, действующей на дифференциальную площадку иглы 18 снизу, что приводит к ее подъему и истечению топлива через нижний ряд отверстий 17.
Аналогичным образом происходит перемещение втулки 20 вверх, но с временным сдвигом в зависимости от соотношения жесткости и затяжки пружины 21, площади дифференциальной площадки втулки 20 и других конструктивных параметров.
При движении поршня к ВМТ подача топлива осуществляется через сопловые отверстия малого проходного сечения нижнего ряда 17, за счет чего достигается необходимая тонкость его распыливания. Таким образом начинается общее время управлением подачей топлива для «пилотного» впрыска и основного впрыска. При движении к НМТ «пилотный» впрыск заканчивается, и через отверстия форсунок обоих уровней осуществляется основной впрыск топлива.
В случае роста давления в нагнетательном канале отжимается конусная втулка 20 от запорного конуса (позиция не обозначена) в теле форсунки 16, и топливо дополнительно впрыскивается через верхний ряд отверстий 17, проходное сечение которых может быть увеличено по сравнению с отверстиями нижнего уровня без ущерба качеству распыливания, так как топливо проходит через них при более высоком уровне давлений. Таким образом, удается сократить продолжительность впрыска (увеличить относительное время регулирования топливоподачи) при сохранении тонкости распыливания топлива. Это позволяет увеличить резервы форсирования дизеля по топливоподаче и реализовать форсажный режим, номинальный режим или режим ниже номинального.
Увеличение длительности подачи импульса на обмотку электроклапана 14 позволяет увеличить время подачи топлива через оба ряда сопловых отверстий 17 в форсунке 16, а следовательно, позволяет увеличить количество подаваемого в цилиндры топлива для сжигания. Это, в свою очередь, позволяет изменить уровень мощности выше номинального, форсировать дизель и компенсировать возмущение по моменту (фиг.1, фиг.2), которое вызывает изменение частоты вращения, фиксируемое САУ.
Уменьшение длительности подачи импульса напряжения на обмотку электроклапана 14 форсунки 16 позволяет уменьшить время подачи топлива в цилиндры через оба ряда отверстий форсунки 16. Это, в свою очередь, позволяет изменить уровень мощности ниже номинального, уменьшить количество сжигаемого топлива, дефорсировать ДВС, уменьшить развиваемый дизелем момент и компенсировать возмущение по моменту при сбросе нагрузки.
Дополнительное количество топлива, которое подается в цилиндры дизеля, может быть сожжено в случае одновременной подачи дополнительного количества воздуха. Дополнительное количество воздуха можно подать путем увеличения давления наддува. Наддув воздуха в цилиндры осуществляется с помощью турбокомпрессора 25. Может быть применен турбокомпрессор, рассчитанный на мощность несколько большую номинальной.
Необходимым условием работы турбокомпрессора 25, помимо равенства частот вращения турбины и компрессора, является также равенство их эффективных мощностей на любом режиме. Поэтому вмешательство в работу компрессора нежелательно. Воздух под давлением из ресивера можно направлять в воздухосборник компрессора или в подводящий воздушный коллектор 24 (фиг.4).
Система подачи воздуха работает следующим образом.
При подаче повышенного количества топлива за счет постепенного увеличения времени управления обмоткой управления электроклапаном 14 форсунки 16 постепенно нарастает объем выпускных газов, поступающих на турбину турбокомпрессора, которая увеличивает свои обороты. Турбокомпрессор 25, например, центробежного типа с диффузором увеличивает давление наддува воздуха. Воздух в большем объеме поступает в цилиндры и обеспечивает благоприятное сгорание топлива.
Аналогично процессы протекают при снижении времени подачи топлива в форсунки 16. При этом уменьшается объем газов, поступаемых на турбину турбокомпрессора 25, и снижается частота ее вращения. Турбокомпрессор 25, который расположен на одном валу с турбиной, также вращается с меньшей частотой, снижается давление наддува, объем поступаемого воздуха в цилиндры уменьшается до оптимального, необходимого для сгорания меньшей порции топлива.
Работа дополнительного компрессора при подаче воздуха происходит следующим образом.
Если происходит увеличение отклонения приращения частоты вращения вала дизеля от заданного уставкой Δn>0, то подается сигнал на электроклапан 15 системы подачи воздуха. На холостом ходу тракторного агрегата, например при откате при бульдозировании, дополнительный компрессор (фиг.4) 26 закачивает в ресивер 27 воздух через клапан 28. В ресивере 27 происходит сжатие воздуха и запасается значительная потенциальная энергия. При открытии электроклапана 15 по команде с ЭБУФН 12 потенциальная энергия воздуха, запасенного в ресивере 27, преобразуется в потенциальную энергию воздуха в впускном воздушном коллекторе дизеля.
Давление подаваемого воздуха регулируется клапаном 28 регулирования давления ресивера 27. При этом увеличивается давление наддува воздуха в цилиндры, улучшается воздухоснабжение цилиндров и условия сгорания дополнительной порции топлива, которое поступает за счет увеличения длительности импульса управления на обмотку электроклапана 14 форсунки 16 при перегрузке.
Дополнительная порция воздуха подается во время перегрузки ДВС (состояние САУ фиг.2, б, в). Доля воздуха, которая может подаваться от управляемого ресивера, может составлять 2-5% и при кратковременном подключении ресивера (1-20 с) не окажет влияния на работу турбокомпрессора 25. Подключение управляемого ресивера необходимо для улучшения подачи воздуха в момент резкого изменения времени управления подачей топлива (при значительном изменении частоты вращения вала дизеля), когда турбокомпрессор 25 может не «успеть» среагировать на увеличение подачи топлива.
При недогрузке тракторного агрегата (состояние САУ топливоподачей фиг.2д, г) электроклапан 15 отключается или работает в повторно-кратковременном режиме. Дополнительная подача воздуха прекращается или уменьшается. Одновременно уменьшается и порция топлива, которая поступает в цилиндры, за счет уменьшения длительности импульса управления топливоподачей (состояние фиг.2, г). Снижается частота вращения турбокомпрессора и давление наддува воздуха. Количество воздуха снижается пропорционально снижению количества топлива, поступаемого в цилиндры.
Блок ЭБУФН 12 в случае применения форсунок 16 с двумя уровнями отверстий обеспечивает достаточное время управления впрыском и изменение мощности дизеля, т.к. будет потреблять меньшую мощность (ток, напряжение) на управление электромагнитным клапаном 14 форсунки 16 по той причине, что впрыск в форсунке с двумя уровнями отверстий будет происходить при пониженных давлениях. Пружины 19, 22 (Фиг.3) можно будет выбрать менее жесткими. Электромагнитный клапан 14 будет работать в более комфортных условиях, т.к. будет находиться под значительно меньшим, чем ранее, давлением. Это скажется самым благоприятным образом на его работоспособности и его динамических свойствах: быстродействии, увеличении времени работы в открытом состоянии. Мощность на его управление будет уменьшена.
Управление мощностью дизеля будет в таком случае адекватным нагрузке. Причем увеличение нагрузки компенсируется увеличением мощности и увеличением момента, который компенсирует возросший момент сопротивления. Дизель приобретает новые свойства: он становится источником управляемого момента при малых изменениях частоты вращения, сохраняя заданный номинальный или иной режим мощности дизеля. Реализация номинального режима становится возможной независимо от изменения момента сопротивления на валу дизеля.
Предлагаемый способ и устройство отвечают строгим экологическим требованиям, так как форсунка с двумя уровнями отверстий обеспечивает лучшее распыливание топлива при более низких давлениях, благоприятный режим протекания крутящего момента; обеспечивается низкий расход топлива; устойчивый запуск при низких температурах.
Техническим результатом предлагаемого нового устройства является расширение диапазона управления мощностью дизеля за счет применения форсунки с двумя уровнями отверстий для впрыска и электронного управления ею в функции времени, за счет дополнительной подачи воздуха одновременно с подачей топлива от внешнего дополнительного источника воздуха. Это позволяет наиболее эффективно с точки зрения производительности использовать мощность дизеля, а также создавать требуемые для новых конкретных технологий энергетические режимы.