Система электронного управления подачей топлива дизельного двигателя локомотива
ELECTRONIC CONTROL SYSTEM FOR FUEL SUPPLY OF LOCOMOTIVE DIESEL ENGINE

Заявляемое техническое решение относится к дизелестроению, в частности к системам управления топливоподачей дизельного двигателя локомотива, предназначенным для автоматического поддержания заданной частоты вращения вала дизеля за счет дозированной топливоподачи.
Известна система электронного управления подачей топлива дизельного двигателя локомотива, содержащая электронный блок управления, блок силовых ключей, преобразователь частоты вращения и датчики, а также преобразователь фазовой отметки распределительного вала, выполненный с возможностью синхронизации работы системы с работой цилиндров двигателя, причем электронный блок управления содержит размещенные в едином корпусе и связанные между собой и с внешними цепями разъемами устройства усилителя мощности, защиты, контроллера, интерфейса и индикации, вход электронного блока управления соединен с выходом преобразователя частоты вращения, а выход - с входом блока силовых ключей, который содержит базу транзисторов и выполнен с возможностью выработки разностного сигнала, который распределяется по выходным силовым ключам в порядке очередности работы цилиндров, и выдачи сигнала на управляющие клапанами электромагниты или с автоматизированной системой управления (патент на изобретение РФ №2430254, МПК: F02D 41/30, опубликован 27.09.2011 г.).
Недостатком известной системы является невысокая топливная эффективность и ненадежность двигателя локомотива при работе на переменных по частоте вращения коленчатого вала режимах, когда начало подачи топлива в цилиндры дизеля выбрано из условия получения минимального расхода топлива на режиме полной мощности, а также большой расход топлива при работе дизеля на холостом ходу при пониженной частоте вращения вала. Кроме того, недостатком этой системы является ее ненадежность, обусловленная наличием в ней разных преобразователей, установленных в двигателе, т.е. отдельно от подающих в него топливо топливных насосов, предопределяя, таким образом, рассогласованную во времени передачу ими разных информационных сигналов в блок управления и, как следствие, удлиняющую их обработку в его микроконтроллере для последующего воздействия на силовые ключи, а также в невозможности поддержания постоянства частоты вращения коленчатого вала двигателя в условиях изменяющейся нагрузки из-за невозможности поддержания постоянства запирающего сигнала силовых ключей системы, обеспечиваемого постоянством протекания тока в катушках индуктивности их электромагнитных клапанов в момент удержания своих якорей.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является система электронного управления подачей топлива в дизельный двигатель транспортного средства, принятая за прототип и содержащая блок питания, формирующий напряжение питания устройств, входящих в систему; датчики давления и температуры масла в двигателе; блок транзисторных силовых ключей, управляющих топливными насосами высокого давления двигателя в порядке очередности работы его цилиндров путем выработки разностных сигналов, распределяемых по катушкам индуктивности их электромагнитных клапанов; электронный блок управления со своими расположенными в его корпусе устройствами, а именно: с микроконтроллером с программным обеспечением, предназначенным для обработки поступающей к нему информации и последующего формирования на катушках индуктивности электромагнитных клапанов топливных насосов высокого давления управляющих сигналов по времени начала, длительности и периодичности дозированной подачи топлива в двигатель в соответствии с заложенным алгоритмом; а также с устройствами усиления мощности, защиты, интерфейса и индикации; (патент на полезную модель №139700, МПК: F02D 41/30, опубл. 20.04.2014 г.).
Недостатком этой системы электронного управления подачей топлива дизельного двигателя локомотива, наиболее близкой к предлагаемому изобретению, является ненадежность системы, обусловленная наличием в ней разных преобразователей, установленных в двигателе, т.е. отдельно от подающих в него топливо топливных насосов, предопределяя, таким образом, рассогласованную во времени передачу ими разных информационных сигналов в блок управления и, как следствие, удлиняющую их обработку в его микроконтроллере для последующего воздействия на силовые ключи, а также в невозможности поддержания постоянства частоты вращения коленчатого вала двигателя в условиях изменяющейся нагрузки из-за невозможности поддержания постоянства запирающего сигнала силовых ключей системы, обеспечиваемого постоянством протекания тока в катушках индуктивности их электромагнитных клапанов в момент удержания своих якорей. Кроме того, установка в главную тормозную магистраль транспортного средства дополнительного первичного преобразователя давления воздуха, обеспечивающего автоматический перевод дизеля с минимально устойчивой частоты вращения холостого хода на увеличенную частоту вращения вала при включении в работу тормозного компрессора транспортного средства также снижает надежность системы.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая система электронного управления подачей топлива дизельного двигателя локомотива, является повышение надежности системы и ее быстродействия как за счет упрощения ее конструкции включением преобразователя частоты вращения и фазовой отметки приводного вала топливного насоса высокого давления с функциями одновременного измерения частоты вращения и регистрации фазовой отметки приводного вала топливного насоса высокого давления, питающего первый цилиндр двигателя, обеспечивая, тем самым, одновременную, не рассогласованную во времени, передачу им разных информационных сигналов, предопределяющую и ускоряющую их обработку в микроконтроллере блока управления для последующего воздействия на силовые ключи, а также за счет выполнения транзисторных силовых ключей системы с возможностью обеспечения подачи дополнительного запирающего сигнала отрицательной полярности для повышения быстродействия срабатывания электромагнитного клапана и обеспечения непрерывности протекания тока в катушках индуктивности электромагнитных клапанов в момент удержания якорей.
Указанный технический результат достигается тем, что система электронного управления подачей топлива дизельного двигателя локомотива, содержащая блок питания, блок силовых транзисторных ключей, датчики давления и температуры масла в двигателе, а также связанный с ними и с автоматизированной системой управления локомотивом электронный блок управления системы со своими расположенными в его корпусе устройствами, а именно: с микроконтроллером с программным обеспечением, а также с устройствами усиления мощности, защиты, интерфейса и индикации, … система выполнена с возможностью синхронизации ее работы с работой цилиндров двигателя, для чего она дополнительно снабжена преобразователем частоты вращения и фазовой отметки приводного вала топливного насоса высокого давления, питающего первый цилиндр двигателя, со своим установленным на этом валу зубчатым колесом и своим датчиком, связанным с блоком управления и установленным в корпусе топливного насоса с возможностью охвата своей зоной действия зубчатого колеса преобразователя, причем, зубчатое колесо этого преобразователя выполнено со множеством однотипных меток, образованных следующими одна за другой по его окружности идентичными комбинациями "зуб/промежуток между зубьями" и, по меньшей мере, с одной отличимой меткой в виде увеличенного промежутка по сравнению с промежутком между зубьями на участке с однотипными метками, позиционируемой относительно верхней мертвой точки поршня в первом цилиндре двигателя в начале рабочего цикла его поршневой пары в фазе сжатия топливной смеси; а микроконтроллер блока управления выполнен с возможностью преобразования выходного сигнала датчика преобразователя частоты вращения и фазовой отметки приводного вала топливного насоса двигателя в прямоугольный сигнал с постоянной амплитудой и с возможностью на основании этого преобразования последующего вычисления частоты вращения приводного вала топливного насоса и угла его поворота для определения момента и длительности подачи топлива в каждый цилиндр двигателя, при этом, входы микроконтроллера связаны с выходами блока питания, датчиков давления и температуры масла в двигателе, датчика преобразователя частоты вращения и фазовой отметки приводного вала топливного насоса высокого давления дизеля, а выход микроконтроллера соединен с входом блока силовых ключей, и, кроме того, транзисторные силовые ключи системы выполнены по топологии полной мостовой схемы, позволяющей получить двухполярное управляющее напряжение, обеспечивая подачу дополнительного запирающего сигнала отрицательной полярности для повышения быстродействия срабатывания электромагнитного клапана, причем сама мостовая схема выполнена в виде как минимум двух полумостов, поочередно подключаемых в соответствии с заложенным в микроконтроллер алгоритмом подачи управляющих сигналов, а в цепь питания оконечных каскадов силовых ключей установлен конденсатор с емкостью, обеспечивающей требуемый импульсный ток срабатывания электромагнитного клапана, позволяя, тем самым, снизить потребляемую системой мощность и уменьшить габариты источника питания, и к транзисторам этих ключей подключены встречно-параллельные диоды, обеспечивающие непрерывность протекания тока в катушках индуктивности электромагнитных клапанов в момент удержания их якорей.
Оснащение системы контроллером машиниста позволяет с его помощью оперативно изменять, при необходимости, параметры управляющих сигналов, подаваемых на электромагнитные клапаны топливных насосов высокого давления.
Дополнительное укомплектование системы дисплеем с клавиатурой, позволяет просматривать параметры работы дизеля и корректировать параметры управляющих сигналов, подаваемых на электромагнитные клапаны топливных насосов высокого давления, а также осуществлять аварийный запуск двигателя.
Использование блока памяти, предназначенного для сбора и хранения данных о состоянии двигателя и поданных машинистом и системой управления локомотивом командах в реальном времени, позволяет отображать на дисплее информацию о действиях машиниста в определенный промежуток времени и необходимую диагностическую информацию по запросу машиниста или обслуживающего персонала локомотивного депо.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами:
Фиг. 1 - Функциональная блок-схема системы электронного управления подачей топлива в дизельный двигатель локомотива;
Фиг. 2 - Преобразователь частоты вращения и фазовой отметки приводного вала топливного насоса высокого давления;
Фиг. 3 - Временная характеристика сигнала, полученного с помощью преобразователя частоты вращения и фазовой отметки приводного вала топливного насоса высокого давления;
Фиг. 4 - Функциональная блок-схема блока управления системы электронного управления подачей топлива в дизельный двигатель локомотива;
Фиг. 5 - Электрическая схема силовых ключей блока управления.
Система электронного управления подачей топлива дизельного двигателя 1 (фиг. 1) транспортного средства содержит:
- Блок питания 2, формирующий напряжение питания устройств, входящих в систему;
- Электронный блок управления 3, вырабатывающий разностный сигнал, распределяемый по катушкам индуктивности (не показаны) электромагнитных клапанов 4, управляющих топливными насосами высокого давления 5 двигателя 1 в порядке очередности работы их цилиндров (не показаны);
- Датчики давления и температуры масла в двигателе 1, соответственно 6 и 7;
- Преобразователь частоты вращения и фазовой отметки 8 приводного вала 11 (фиг. 2) топливного насоса 5 двигателя 1, питающего первый цилиндр двигателя и выполненного с возможностью синхронизации работы системы с работой цилиндров двигателя, со своим зубчатым колесом 12, неподвижно установленным на приводном валу 11 топливного насоса 5 и своим датчиком 13 с чувствительным элементом (не показан), охватывающим своей зоной действия зубчатое колесо 12 и формирующим дискретные сигналы (фиг. 3), свидетельствующие и о частоте вращения этого вала 11, соответствующей частоте следования зубьев этого зубчатого колеса 12, и об угловом положении этого вала 11, соответствующем началу открытия впускного клапана (не показан) для поступления топлива в 1-ый цилиндр двигателя. Само зубчатое колесо 12 этого преобразователя 8 выполнено со множеством однотипных меток 14, образованных следующими одна за другой по его окружности идентичными комбинациями "зуб/промежуток между зубьями" и, по меньшей мере, с одной отличимой меткой 15, позиционируемой относительно верхней мертвой точки поршня в цилиндре двигателя (не показан) в начале рабочего цикла поршневой пары двигателя в фазе сжатия топливной смеси.
Электронный блок управления 3 (фиг. 4) расположен в корпусе со своим микроконтроллером 16 с программным обеспечением и связанным с ним устройством гальванической развязки 17. Микроконтроллер 16 блока управления 3 предназначен для обработки поступающей к нему информации и последующего формирования на катушках индуктивности (не показаны) электромагнитных клапанов 4 топливных насосов высокого давления 5 управляющих сигналов по времени начала, длительности и периодичности дозированной подачи топлива в дизельный двигатель 1 в соответствии с заложенным алгоритмом. Микроконтроллер 16 блока управления 3 выполнен с возможностью преобразования выходного сигнала датчика преобразователя частоты вращения и фазовой отметки 8 приводного вала 11 топливного насоса 5 двигателя 1 в прямоугольный сигнал с постоянной амплитудой и с возможностью на основании этого преобразования последующего вычисления частоты вращения приводного вала 11 топливного насоса 5 и угла его поворота для определения момента и длительности подачи топлива в каждый цилиндр двигателя 1. Через устройство гальванической развязки 17 микроконтроллер 16 своими входами соединен с выходами датчиков давления и температуры масла в двигателе, соответственно, 6 и 7, с выходом преобразователя частоты вращения и фазовой отметки 8 приводного вала 11 топливного насоса 5, а также с выходом контроллера машиниста 9, с помощью которого машинист задает частоту вращения коленчатому валу локомотива (не показан), необходимую для скорости его движения; а своим входом-выходом с системой управления транспортным средством 10. В корпусе блока управления 3 также размещен блок силовых ключей 18, связанных через блок защиты от короткого замыкания 19 с выходом микроконтроллера 16. Электронный блок управления 3, кроме того, содержит дисплей 20 с клавиатурой 21, с помощью которых, при необходимости, можно просматривать параметры работы дизельного двигателя 1, осуществлять аварийный запуск, корректировать параметры управляющих сигналов, подаваемых на электромагнитные клапаны топливных насосов высокого давления, а также блок памяти 22, представляющий собой цифровое устройство, предназначенное для сбора и хранения данных о состоянии двигателя 1 и поданных машинистом командах в реальном времени.
К входу блока управления 3 подключен блок контроллера машиниста 9, с помощью которого машинистом задается необходимая частота вращения вала двигателя 1 и скорость локомотива.
n-1
n
Мостовая схема включения транзисторов силовых ключей (фиг. 5) содержит один общий полумост, состоящий из верхнего VT1 и нижнего VT2 транзисторов, и поочередно подключаемые к общему полумосту дополнительные частные полумосты, каждый из которых содержит верхний VT3 (VT) и нижний VT4 (VT) транзисторы. Количество дополнительных частных полумостов соответствует количеству подключаемых топливных насосов высокого давления. Нагрузкой мостовой схемы является катушка индуктивности (не показана) электромагнитного клапана топливного насоса высокого давления. На транзисторы поочередно подаются управляющие сигналы и, в зависимости от подключенных транзисторов, на катушку индуктивности определенного электромагнитного клапана поступает сигнал на открытие и подачу топлива в определенный момент и на определенный промежуток времени. Электрическая схема управления транзисторами позволяет раздельно и в определенной последовательности управлять как верхним, так и нижним транзисторами общего и дополнительных частных полумостов. В цепь питания электрической схемы включен конденсатор С1, емкость которого обеспечивает импульсный ток, требуемый для гарантированного срабатывания электромагнитного клапана, что позволяет снизить потребляемую системой мощность и уменьшить габариты источника питания. Встроенные в транзисторы встречно-параллельные диоды обеспечивают непрерывность протекания тока в катушке индуктивности (не показан) электромагнитного клапана 4 для удержания якоря (не показан).
Система электронного управления подачей топлива дизельного двигателя локомотива работает следующим образом.
С пульта управления работой дизеля машинист включает блок питания 2 системы, подводящий стабилизированное напряжение питания к блоку управления 3 и через него к устройствам, входящим в систему. При пуске двигателя 1 в блок управления 3 поступает соответствующий дискретный сигнал от системы управления транспортным средством 10 и блок управления 3 выдает управляющий сигнал электромагнитные клапаны 4 топливных насосов 5, соответствующий пусковой подаче топлива. Преобразователь частоты вращения и фазовой отметки 8 приводного вала 11 топливного насоса 5 двигателя 1 одновременно формирует последовательность однотипных дискретных сигналов (фиг. 3), частота следования которых пропорциональна скорости вращения приводного вала 11 топливного насоса 5 двигателя 1, и один отличимый по длительности дискретный сигнал, информирующий о положении приводного вала 11 топливного насоса 5.
По сигналу преобразователя частоты вращения и фазовой отметки 8 приводного вала 11 топливного насоса 5 двигателя 1 блок управления 3 оценивает текущую частоту вращения коленчатого вала дизеля 1 и по заданному алгоритму осуществляет корректировку управляющего сигнала в сторону уменьшения или увеличения в зависимости от рассогласования текущей и заданной с помощью контроллера машиниста 9 частот вращения.
Используя сигналы преобразователя частоты вращения и фазовой отметки 8 приводного вала 11 топливного насоса 5 двигателя 1 блок управления 3 также определяет положение верхней мертвой точки поршня первого цилиндра в такте сжатия и соответственно этому изменяет момент подачи управляющего импульса на электромагнитные клапаны 4 топливных насосов высокого давления 5, что приводит к изменению угла опережения подачи топлива по заложенной программе в микроконтроллер 16 блока управления 3. Изменение угла опережения подачи топлива осуществляется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала (не показан), значений давления и температуры масла в двигателе 1, снимаемых счетчиками, соответственно, 6 и 7.
Для приведения тепловоза в движение машинист с помощью системы управления локомотивом 10 подает команду на возбуждение тягового генератора (не показан), который начинает питать тяговые двигатели и тепловоз начинает движение. Система, в зависимости от заданной главной рукояткой контроллера машиниста 9 позиции, выводит двигатель 1 с темпом, определенным настройками, на частоту вращения коленчатого вала, соответствующую заданной позиции, после чего поддерживает эту частоту.
Машинист, при необходимости, с помощью дисплея 20 с клавиатурой 21 просматривает параметры работы двигателя 1, может осуществлять аварийный запуск, корректировать параметры управляющих сигналов, подаваемых на электромагнитные клапаны 4 топливных насосов высокого давления 5, а также направлять эту информацию в блок памяти 22 для хранения данных о состоянии дизеля 1 и поданных машинистом командах в реальном времени.
После прекращения поступления дискретного сигнала от системы управления транспортным средством 10 на соответствующий вход блока управления 3, система прекращает подачу управляющих сигналов на электромагнитные клапаны 4 топливных насосов 5, двигатель 1 останавливается.
Созданное техническое решение, благодаря совокупности своих существенных признаков, отраженных в формуле изобретения, обеспечивает повышение надежности системы электронного управления подачей топлива дизельного двигателя и ее быстродействия как за счет упрощения ее конструкции совмещением в едином преобразователе частоты вращения и фазовой отметки приводного вала топливного насоса высокого давления функций измерения частоты вращения и регистрации фазовой отметки приводного вала топливного насоса высокого давления, питающего первый цилиндр двигателя, обеспечивая, тем самым, одновременную, не рассогласованную во времени, передачу им разных информационных сигналов и предопределяющую и ускоряющую их обработку в микроконтроллере блока управления для последующего воздействия на силовые ключи, а также за счет выполнения транзисторных силовых ключей системы с возможностью обеспечения подачи дополнительного запирающего сигнала отрицательной полярности для повышения быстродействия срабатывания электромагнитного клапана и обеспечения непрерывности протекания тока в катушках индуктивности электромагнитных клапанов в момент удержания якорей.
Заявленная система электронного управления подачей топлива дизельного двигателя локомотива прошла необходимые испытания и готова к выпуску на предприятии-заявителе.