УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
DEVICES FOR FUEL CONSUMPTION MEASUREMENT IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области физики, в частности к устройствам для измерения текущего расхода топлива двигателей внутреннего сгорания (ДВС), преимущественно транспортных средств путем измерения соотношения объемных расходов на входе в ДВС и выходе из ДВС.
Известна система измерения расхода топлива, позволяющая измерять расход топлива путем измерения расхода топлива на входе ДВС и выходе из ДВС по так называемой проточной схеме. Система содержит два преобразователя потока (датчика расхода), устройства стабилизации потока, термометры, формирователи импульсов, блок питания, вычислитель, устройство считывания (патент RU №2199091, МПК G07F 9/00, G07C 5/10, опубл. 20.02.2000 г.). Топливная система ДВС, выполненная по проточной схеме, включает штатный подпорный клапан.
В силу особенностей работы ДВС транспортного средства (резко переменные нагрузки, изменение температуры и давления топлива, пульсации потока топлива из-за работы насосов и клапанов) такие устройства измерения расхода топлива при установке на дизель имеют значительную погрешность измерения, зачастую не поддающуюся учету и дальнейшей корректировке.
Известно устройство для измерения расхода топлива в ДВС, принятое за прототип, содержащее топливный бак, топливный насос, расположенный между баком и двигателем, фильтр, датчик расхода топлива с выходным устройством, управляемый клапан, датчики давления и температуры, установленные в линии подвода топлива к двигателю (нагнетающей линии топливной системы), клапан-регулятор перепада давления и управляемый клапан, установленный в линии подвода топлива к двигателю, клапан-регулятор перепада давления и управляемый клапан, установленный в линии отвода неиспользованного топлива (сливной линии топливной системы), датчик крутящего момента, тахогенератор (датчик частоты вращения вала гидромотора), аналого-цифровой преобразователь, цифропечатующее устройство, источник питания, микропроцессор, связанный с датчиком расхода топлива, датчиком температуры, цифропечатующим устройством и источником питания, тиристорный преобразователь напряжения, исполнительное реле, электродвигатели, систему стабилизации давления топлива (регулятор давления и частоты вращения вала электродвигателя привода датчика расхода), подводимого к двигателю, содержащую редуктор, снабженный сменными шестернями и обгонной муфтой и кинематически связанный с датчиком расхода топлива и электродвигателями, один из которых соединен с редуктором через обгонную муфту и электрически подключен к источнику питания, а другой - непосредственно с редуктором и подключен к выходу тиристорного преобразователя напряжения, вход которого электрически связан с выходом датчика давления и источника питания, управляемые клапаны выполнены отсечными, и их входы электрически связаны с выходом исполнительного реле, связанного с микропроцессором, причем датчик расхода топлива выполнен в виде гидромотора аксиально-поршневого типа и кинематически связан с тахогенератором (SU а.с. №1242744, МПК G01M 15/00, опубл. 07.07.1986 г.). Из-за высокого объемного КПД аксиально-поршневого гидромотора применение его в качестве датчика расхода обеспечивает высокую точность измерения.
Данное устройство включено в топливную систему дизеля по тупиковой (замкнутой) схеме.
Недостатками известного устройства считаются:
- Необходимость по окончанию замера с помощью открытия отсечных клапанов в сливной и в нагнетающей линиях топливной системы возвращаться к проточной схеме.
- Нестабильная подача топлива в цилиндры и дрейф весовой производительности топливных насосов из-за несоблюдения условия избыточной циркуляции топлива, т.к. превышение производительности топливоподкачивающего насоса над расходом топлива дизелем, как правило, не менее чем в 2…2,5 раза. Это условие необходимо для исключения накопления парообразований и стабилизации температуры топлива на входе в топливные насосы.
- При тупиковой схеме предохранительные клапаны шестеренных топливоподкачивающих насосов (на схеме не показаны), предназначенные для защиты системы от чрезмерного давления топлива на случай аварийной ситуации, не могут использоваться длительно в режиме перепуска, т.к. могут срабатывать на пульсации давления, с так называемой, шестеренчатой частотой, что в свою очередь, может привести к гидроударным явлением в системе и быстрому износу клапана.
- При замкнутом режиме работы часть мощности потребляемой топливо-подкачивающим насосом, соответствующая его избыточной производительности, расходуется на нагрев топлива, вследствие чего может снижаться уровень мощности ДВС.
Поэтому тупиковое включение расходомеров используется чаще всего при стендовых испытаниях ДВС или реостатных испытаниях тепловозов, когда можно обеспечить заданный режим работы двигателя при соблюдении необходимого контроля за протекающими процессами.
Однако тупиковая схема более точная, особенно при малых расходах топлива. Погрешность измерения расхода топлива при единичном расходомере (тупиковая схема) и при системе из двух расходомеров (проточная схема) при одинаковой точности единичных приборов меньше в 20 раз на холостом ходу (при малой нагрузке) и в 3 раза при полной нагрузке (www/kral.at).
Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы ДВС при работе с системами измерения топлива и повышение точности измерения расходов топлива.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для измерения расхода топлива ДВС, содержащее датчик расхода топлива в виде гидромотора аксиально-поршневого типа, редуктор, соединенный с валом гидромотора, фильтр, датчики давления и температуры, установленные в нагнетающую линию топливной системы, электромотор, соединенный с валом редуктора, регулятор частоты вращения электромотора, датчик частоты вращения вала аксиально-поршневого гидромотора, и микропроцессор, связанный электрически с датчиками давления, температуры, частоты вращения вала гидромотора аксиально-поршневого типа и регулятором частоты вращения вала электромотора, снабжено гидромотором с героторным зацеплением, выполняющим роль подпорного клапана в сливной линии топливной системы и датчика расхода топлива, датчиками давления, температуры, установленными в сливной линии топливной системы, датчиком частоты вращения вала гидромотора с героторным зацеплением, при этом датчики давления, температуры и частоты вращения вала этого гидромотора электрически связаны с микропроцессором.
Кроме того, гидромоторы снабжены байпасными линиями, обходящими гидромоторы, разгрузочными клапанами в байпасных линиях, электрически связанными с микропроцессором.
На чертеже изображена топливная схема устройства измерения расхода топлива ДВС.
Устройство измерения расхода топлива ДВС содержит топливный бак 1, штатный топливный насос 3, качающий топливо из топливного бака 1 в двигатель 2, фильтр 4, нагнетающую 5 и сливную 6 линии топливной системы, гидромотор 7 аксиально-поршневого типа в нагнетающей 5 линии, редуктор 8, соединенный с валом гидромотора 7, датчики давления 9 и температуры 10 в нагнетающей 5 линии топливной системы, электромотор 11, соединенный с валом редуктора 8, регулятор частоты вращения 12 электромотора 11, датчик частоты вращения 13 вала гидромотора 7, гидромотор 14 с героторным зацеплением, установленный в сливной 6 линии топливной системы, датчики давления 15 и температуры 16 в сливной 6 линии топливной системы и датчик частоты вращения 17 вала гидромотора 14, микропроцессор 18, электрически связанный с выходами датчиков давления 9 и 15, температуры 10 и 16, частоты вращения 13 и 17 валов гидромоторов 7 и 14 и регулятором частоты вращения 12 электромотора 11, байпасные линии 19 с разгрузочными клапанами 20, электрически связанными с микропроцессором 18, обходящие гидромоторы 7 и 14.
2
Гидромотор аксиально-поршневого типа 7 вместе с электромотором 11, редуктором 8 и регулятором частоты вращения 12 электромотора 11 служит дополнительным топливным насосом, компенсирующим потери давления от сопротивления включенных в топливную магистраль элементов устройства измерения расхода топлива ДВС и одновременно датчиком расхода топлива, проходящего по нагнетающей 5 линии топливной системы. Измерение расхода топлива, сливаемого в топливный бак 1 по сливной 6 линии топливной системы, производится гидромотором 14 героторного типа, не имеющим механизма подкрутки. Характеристики гидромотора 14 выбираются такими, чтобы давление, при котором страгивается вал гидромотора, составляло 0,11…0,13 МПа (1,1…1,3 кг/см), что соответствует давлению открытия подпорного клапана в штатной схеме.
Для магистральных тепловозов возможно использование в качестве гидромотора в нагнетающей линии топливной системы - аксиально-поршневого гидромотора №2,5-IIМ, в качестве гидромотора в сливной линии - гидромотора с героторным зацеплением ОММ 20.
Устройство работает следующим образом.
2
Перед запуском ДВС включается электромотор 11 привода гидромотора аксиально-поршневого типа 7, расположенного на нагнетающей 5 линии топливной системы. Гидромотор аксиально-поршневого типа 7 вместе с электромотором 11 конструктивно является насосом и выполняет прокачку топлива по всей топливной системе. Редуктор 8 необходим для создания необходимого крутящего момента гидромотора. Так как количество топлива, проходящего при прокачке через оба гидромотора 7 и 14, одинаково, микропроцессор 18 вычислит нулевой расход. Это свойство при прокачке можно использовать для проведения сравнительной поверки расходов, показываемых обоими гидромоторами 7 и 14. После запуска ДВС микропроцессор 18 по полученному сигналу от датчика давления 9 управляет регулятором частоты вращения 12 электромотора 11, поддерживающего необходимую для создания давления в нагнетающей 5 линии топливной системы частоту вращения вала гидромотора 7 аксиально-поршневого типа, таким образом, чтобы величина давления на любых режимах работы ДВС соответствовала требования эксплуатации ДВС. Например, для двигателей типа ЧН26/26 давление перед топливными насосами высокого давления должно составить 0,15…0,38 МПа (1,5…3,8 кг/см). Регулятор частоты вращения 12 вала электромотора 11, поддерживающего необходимое давление в нагнетающей 5 линии топливной системы путем вращения вала гидромотора 7 аксиально-поршневого типа, может иметь различное исполнение. При использовании в качестве подкручивающего электромотора асинхронного электродвигателя (на испытательных стендах и реостатных станциях при питании от сети ~220 В) это может быть преобразователь частоты, при использовании тахогенератора (на тепловозах при питании от бортовой сети с напряжением - 110 В) - регулируемый резистор. Гидромотор 14 на сливной 6 линии работает как подпорный клапан, обеспечивающий необходимое давление в системе, перепуском части топлива в топливный бак обеспечивает циркуляцию топлива. В отличие от варианта с установкой штатного подпорного клапана, гидромотор 14 одновременно является и датчиком расхода в сливной 6 линии топливной системы, а значит, при повороте его вала количество пропущенного топлива всегда фиксируется. Таким образом, данное устройство совмещает достоинства измерения расхода топлива по тупиковой схеме (высокая точность измерений, когда при малых расходах из-за относительно низкого давления гидромотор 14 запирает сливную 6 линию) и по проточной схеме (надежность работы двигателя, когда гидромотор 14 время от времени открывает сливную 6 линию, чем обеспечивает циркуляцию топлива).
Одновременная фиксация топлива, проходящего в нагнетающей 5 и в сливной 6 линиях топливной системы, позволяет определить топливо, потребляемое ДВС. Микропроцессор 18 обрабатывает сигналы от датчиков расхода (гидромоторов 7 и 14) в нагнетающей 5 и в сливной 6 линиях топливной системы, давления и температуры топлива в местах установки датчиков расхода (гидромоторов 7 и 14). По результатам вычислений определяется масса топлива, прошедшего через каждый датчик расхода (гидромотор), а по разности определенных таким образом масс топлива, прошедших через датчики, вычисляется расход топлива ДВС.
Для магистральных тепловозов возможно использование в качестве гидромотора в нагнетающей линии топливной системы - аксиально-поршневого гидромотора №2,5-IIM, в качестве гидромотора в сливной линии - гидромотора с героторным зацеплением ОММ 20.
Гидромоторы 7 и 14 снабжены байпасными линиями 19, обходящими гидромоторы 7 и 14, разгрузочными клапанами 20 в байпасных линиях, электрически связанными с микропроцессором 18. Клапаны 20 открываются при условии аварийного снижения давления в нагнетающей 5 линии топливной системы или аварийного повышения давления в сливной 6 линии топливной системы. При открытии байпасной линии 19 сигнал об открытии клапана 20 поступает в микропроцессор 18 с целью учета продолжительности перепуска топлива.
Микропроцессор 18 имеет выход на индикационную панель и порт (на чертеже не показано) для передачи данных о расходе в другие микропроцессорные системы, на схеме не показанные.