УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к устройствам для регулирования двигателя внутреннего сгорания.
Известно устройство для регулирования двигателя внутреннего сгорания (А.с. СССР №1437539, заявл. 13.02.87, опубл. 15.11.88), наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому устройству, содержащее датчик частоты вращения двигателя, датчик давления наддува, датчик крутящего момента, датчик температуры охлаждающей жидкости, формирователь импульсов, синхронизирующий замкнутый контур, дифференциатор, задатчик режимов, микропроцессор (МП), два сумматора, шаговый электродвигатель. Данное устройство позволяет повысить топливную экономичность двигателя за счет повышения точности коррекции топливоподачи по параметрам нагрузки.
Однако устройство, принятое за прототип, обладает рядом недостатков:
1. Недостаточно полно отражает процесс топливопотребления двигателя на различных режимах работы.
2. Система обработки управляющих данных технологически устарела. Современная техническая база (развития) микропроцессорных систем управления (микропроцессоров) позволяет заменить предлагаемые в прототипе изобретения такие элементы как формирователь импульсов, синхронизирующий замкнутый контур, дифференциатор, задатчик режимов, микропроцессор, сумматоры на блок управления, содержащий микропроцессор, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и запоминающее устройство, включающий в себя те же функции, что вышеперечисленные элементы.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое устройство, заключается в эффективности и быстродействии процессов регулирования двигателем, а также в возможности диагностирования технического состояния двигателя внутреннего сгорания.
Для достижения технического результата устройство для регулирования двигателя внутреннего сгорания, содержащее шаговый двигатель, выходной вал которого соединен с рейками топливных насосов, датчик частоты вращения вала двигателя, датчик положения вала шагового двигателя, микропроцессор, к входу
которого своим выходом подключен шаговый двигатель, снабжено датчиком оборотов газотурбонагнетателя (ГТН), датчиком температуры выхлопных газов по цилиндрам, тремя аналого-цифровыми преобразователями, к входам которых порознь подключены датчик частоты вращения вала двигателя, датчик оборотов газотурбонагнетателя, датчик температуры выхлопных газов по цилиндрам, выходы аналого-цифровых преобразователей подключены к микропроцессору, модулем подключения к персональному компьютеру, запоминающим устройством, имеющим три входа и четыре выхода, к трем входам которого подключены по отдельности аналого-цифровые преобразователи, три выхода подключены к микропроцессору, а одним выходом запоминающее устройство подключено к модулю подключения к персональному компьютеру.
Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше, наиболее близкого к нему, является снабжение датчиком оборотов газотурбонагнетателя (ГТН), датчиком температуры выхлопных газов по цилиндрам, тремя аналого-цифровыми преобразователями, к входам которых порознь подключены датчик частоты вращения вала двигателя, датчик оборотов газотурбонагнетателя, датчик температуры выхлопных газов по цилиндрам, выходы аналого-цифровых преобразователей подключены к микропроцессору, модулем подключения к персональному компьютеру, запоминающим устройством, имеющим три входа и четыре выхода, к трем входам которого подключены по отдельности аналого-цифровые преобразователи, три выхода подключены к микропроцессору, а одним выходом запоминающее устройство подключено к модулю подключения к персональному компьютеру. При этом микропроцессор, запоминающее устройство, аналого-цифровые преобразователи, модуль подключения к компьютеру объединены в один корпус.
В качестве управляющих параметров выбраны:
ДВ
- Частота вращения двигателя (W) - стандартный показатель характеризующий мощность двигателя.
ГТН
- Обороты ГТН (W), как мера нагрузки двигателя, отражающая рассогласование реальной мощности и требуемой для данного режима работы, причем данный параметр менее инерционен, чем взятый в прототипе параметр крутящего момента, что обеспечит более быстрое реагирование на изменение режима.
г
- Температура отработавших газов (Т), как косвенный параметр, характеризующий техническое состояние двигателя;
ГТН
г
ГТН
г
Причем параметры W и Т отражают реальную нагрузку двигателя. Поскольку параметр W менее инерционен, чем Т, следовательно его целесообразней использовать для начала процесса корректировки топливоподачи при изменении режима двигателя. Параметр температуры выпускных газов взят в качестве критерия окончания переходного процесса, а также для оценки технического состояния двигателя, что позволит производить оперативную диагностику механизма.
На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит датчик 2 частоты вращения вала двигателя 1, датчик 3 частоты вращения ГТН, датчик 4 температуры выхлопных газов по цилиндрам. Выходы вышеперечисленных датчиков 2, 3, 4 соединены соответственно с аналого-цифровыми преобразователями 7, 6, 5, которые, в свою очередь, подключены к трем входам микропроцессора 8 и к трем входам запоминающего устройства 9. Запоминающее устройство 9 тремя выходами соединено с микропроцессором 8 и одним выходом - с модулем подключения к персональному компьютеру (ПК). Микропроцессор 8 на выходе подключен к шаговому электродвигателю (ШД) 11, выходной вал которого соединен с рейкой 12 топливных насосов (РТН). Также имеется датчик 13 положения выходного вала шагового электродвигателя, который на входе соединен с ШД 11, а на выходе - с микропроцессором 8.
Такие элементы системы как микропроцессор 8, запоминающее устройство 9, модуль подключения к персональному компьютеру 10, аналого-цифровые преобразователи 5, 6, 7 объединены в один корпус, являющийся блоком управления 14.
Ц
ДВ
Ц
ГТН
Ц
Г
Запоминающее устройство 9 в памяти содержит набор базовых режимов двигателя и характеризующих их значения управляющих параметров. Базовые режимы описаны в виде зависимостей: G=f(W) - цикловой подачи топлива от частоты вращения коленчатого вала ДВС, G=f(W) - цикловой подачи топлива от частоты вращения ГТН, G=f(Т) - цикловой подачи топлива от температуры выхлопных газов. Указанные зависимости определяют количество подаваемого в двигатель топлива от изменения управляющих параметров, характеризующих скоростной режим, нагрузку, и температурный режим. Кроме того, в запоминающем устройстве 9 зарезервирована часть памяти для фиксирования параметров работы ДВС и последующей генерации отчетов с целью оперативной оценки технического состояния механизма
Микропроцессор 8 выполняет функцию вычислительного устройства, которое сравнивает фактические значения управляющих параметров с базовыми значениями,
полученными от запоминающего устройства 9 и вырабатывает соответствующий управляющий сигнал на корректировку топливоподачи.
Также блок управления 14 включает в себя аналого-цифровые преобразователи 5, 6, 7 для обеспечения совместимости с датчиками 2, 3, 4.
В качестве микропроцессора 8 можно использовать командный модуль на стандарте VXi фирмы "Hewlett-Packard" HP E1306A с процессором М68000, 8 МГц, ОЗУ до 2 МБ и интерфейсами связи RS-232 и GP-IB.
В качестве запоминающего устройства 9 можно использовать модуль памяти со встроенными накопителями (HP E1562B, 2×2,1 ГБ) и портами SCSI-2 для внешнего обмена данными.
Аналого-цифровые преобразователи 5, 6, 7 - модули с разрешением 16 бит и скоростью преобразования до 400 кГц с индивидуально программируемыми встроенными усилителями и фильтрами (модули фирм ANALOGIC - DBS 8700, 8701 и Hewlett-Pakcard - HP E1313A, HP Е1413A) (Лепский А.Г., Цветков В.В., Щеглов А.А. «Основные направления развития систем комплексной автоматизации на флоте», Вестник МГТУ, том 7, №3, 2004).
В качестве датчика оборотов ГТН 3 и оборотов двигателя 2 можно использовать 2-канальный модуль счетчика/частотомера, например I - 7080.
В качестве датчика температуры газов 4 - 8-канальный модуль ввода сигнала с термопары типа J, К, Т, Е, R, S, В, N, С с изоляцией, например I -7018.
Устройство работает следующим образом.
ДВ
ГТН
При изменении режима работы ДВС изменяется частота вращения коленчатого вала двигателя (W), контролируемая датчиком 2 и частота вращения ГТН (W), контролируемая датчиком 3.
Г
Сигналы с упомянутых датчиков, а также с датчика 4 температуры (Т) выхлопных газов по цилиндрам, направляются через аналого-цифровые преобразователи 5, 6 и 7 (которые преобразовывают их в цифровую форму) на запоминающее устройство 9 и микропроцессор 8.
Ц
ДВ
Ц
ГТН
Ц
Г
Микропроцессор 8 выбирает наиболее близкий базовый режим, с характеризующими его зависимостями G=f(W), G=f(W) и G=f(T).
ДВ
Ц
ДВ
На основании сигнала (W) и зависимости G=f(W) микропроцессор 8 рассчитывает необходимую цикловую подачу топлива для поддержания заданной частоты вращения.
ГТН
Ц
ГТН
На основании сигнала (W) и зависимости G=f(W) микропроцессор производит корректировку цикловой подачи топлива в соответствии с отклонением реальной мощности от требуемой для данного режима работы.
Затем с выхода микропроцессора 8 подается управляющий сигнал на ШД 11, который осуществляет позиционирование РТН 12 в соответствии с изменившимся режимом работы. Положение РТН 12 непрерывно контролируется с помощью датчика 13 положения выходного вала ШД 11.
Г
Ц
Г
Сигнал (Т) и зависимость G=f(Т) являются верхней ограничительной характеристикой, на основании которой микропроцессор 8 производит корректировку подачи топлива в соответствии с изменением температурного режима.
ГТН
Г
Кроме того запоминающее устройство 9 фиксирует в памяти значения параметров W и Т с последующей возможностью подключения к компьютеру через модуль подключения 10, с целью проведения диагностики механизма и определения его технического состояния.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность и быстроту регулирования двигателя при переходах на различные эксплуатационные режимы и реализует систему управления, позволяющую диагностировать техническое состояние механизма.