РЕГУЛЯТОР ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к системам подачи топлива, и может быть использована при разработке топливной аппаратуры дизелей автотракторных средств.
Известны электронные регуляторы частоты вращения дизельного двигателя, содержащие электрическую машину и электронный блок управления, соединенный с задающим устройством и датчиком частоты вращения двигателя.
Так, известен механизм привода для органа управления топливного насоса высокого давления [Патент GB №1462871, F 02 D 1/08 оп. 26.01.1977 г.], состоящий из кожуха, электромагнитного устройства, включающего подвижный ротор на ведомом валу, катушку и сердечник, радиального рычага, подвижного относительно оси указанного устройства, диска, эластичного элемента, соединенного одним концом с рычагом, а другим концом с топливодозирующим органом, двух пружин, электронного блока управления.
Перемещение топливодозирующего органа осуществляется в зависимости от положения задающего устройства и частоты вращения двигателя путем передачи углового перемещения ротора через последовательно связанные ведомый вал, диск, пружину, радиальный рычаг, эластичный элемент. Причем перемещение ротора сдерживается возвратной пружиной, соединенной с кожухом.
Недостатком данного механизма является наличие ряда механических связей, не обеспечивающих точного и плавного перемещения топливодозирующего органа, что вызывает колебание количества поступающего топлива и ведет к его перерасходу.
Известно устройство для управления впрыском топлива дизельного двигателя [Патент JP №58-038330, F 02 D 1/02, F 02 D 5/02, оп. 05.03.1983 г.], состоящее из импульсного двигателя, управляющей рейки и шестерни, которые объединены стойкой с возможностью перемещения управляющей рейки, и компьютера, управляющего работой импульсного двигателя.
Это устройство задает общее количество вводимого в двигатель топлива, исходя из обнаруженных компьютером операционных условий его впрыскивания, Недостатком работы устройства является дискретность перемещения топливодозирующего органа за счет использования импульсного двигателя, приводящее к колебаниям поступающего топлива на неустановившихся режимах работы двигателя и его перерасходу.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является регулятор частоты вращения теплового двигателя [Патент RU №2097593, МПК F 02 D 31/00, F 02 D 1/08, оп. 27.11.1997 г.], содержащий электрическую машину одностороннего направления вращения, одна из частей которой является ротором, кинематически связанным с валом теплового двигателя, а другая часть статором, и блок управления частотой вращения теплового двигателя, подключенный своим выходом к электрической машине. Статор имеет возможность углового перемещения и кинематически связан с топливодозирующим органом двигателя.
Угловое перемещение статора определяется частотой вращения ротора, соответствующей частоте вращения вала топливного насоса, и величиной сигнала, поступающего с блока управления, что дает возможность учитывать частоту вращения двигателя непосредственно при регулировании количества подаваемого топлива.
Недостатком данного регулятора является нелинейная зависимость перемещения топливодозирующего органа от частоты вращения двигателя из-за уменьшения силы взаимодействия магнитных полей ротора и статора на больших
оборотах, приводящая к уменьшению точности его позиционирования и перерасходу топлива.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка устройства, позволяющего регулировать частоту вращения двигателя при любых режимах его работы путем увеличения точности и плавности перемещения топливодозирующего органа двигателя в зависимости как от изменения частоты вращения двигателя, так и от нагрузки на его валу. В результате оптимизируется динамика изменения подачи топлива, позволяющая снизить расход топлива и повысить экологические показатели работы двигателя.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что регулятор частоты вращения двигателя аналогично прототипу содержит электрическую машину, одна из частей которой является ротором, а другая статором, устройство задания частоты вращения и блок управления. В отличие от прототипа электрическая машина выполнена в виде сельсина-двигателя, вал которого кинематически связан с топливодозирующим органом двигателя, устройство задания частоты вращения связано с первым угловым преобразователем. Регулятор дополнительно содержит дифференциальный сельсин, связанный со вторым угловым преобразователем, задатчик угла коррекции, связанный с третьим угловым преобразователем, датчик частоты вращения двигателя и источник переменного тока. При этом выход источника переменного тока параллельно соединен с входами первого, второго и третьего угловых преобразователей и с первым входом сельсина-двигателя. Выход первого углового преобразователя соединен с первым входом дифференциального сельсина, выход третьего углового преобразователя соединен со вторым входом дифференциального сельсина, выход второго углового преобразователя соединен со вторым входом сельсина-двигателя. Выход датчика частоты вращения двигателя соединен с входом блока управления, выход блока управления соединен с входом задатчика угла коррекции.
Блок управления может включать последовательно соединенные частотомер, сумматор и цифрово-аналоговый преобразователь, причем вход частотомера является входом блока управления, а выход цифрово-аналогового преобразователя является выходом блока управления.
Первый, второй и третий угловые преобразователи могут быть выполнены в виде трехфазных сельсинов-датчиков.
Выполнение электрической машины в виде сельсина-двигателя увеличивает точность и плавность перемещения топливодозирующего органа за счет плавного поворота вала сельсина-двигателя, точно повторяющего вычисленное дифференциальным сельсином угловое перемещение, учитывающее как изменение частоты вращения двигателя, так и нагрузку на валу двигателя.
Угловые преобразователи формируют трехфазные сигналы из угловых перемещений, определенных устройством задания частоты вращения, задатчиком угла коррекции и полученных сложением в дифференциальном сельсине.
Источник переменного тока обеспечивает согласование угловых положений сельсина-двигателя и угловых преобразователей.
Датчик частоты вращения двигателя введен для осуществления корректировки скорости перемещения топливодозирующего органа при изменении нагрузки на валу двигателя или при резком изменении частоты вращения двигателя.
Блок управления служит для преобразования сигнала с датчика частоты вращения в сигнал управления для задатчика угла коррекции.
Для формирования сигнала управления частотомер определяет значение частоты вращения двигателя по сигналу, поступающему на его вход от датчика частоты вращения через равные промежутки времени. Сумматор сохраняет промежуточные значения двух последовательно определенных частот вращения и определяет разность между ними. Цифрово-аналоговый преобразователь формирует из разности показаний двух частот вращения сигнал управления задатчиком угла коррекции.
В задатчике угла коррекции сигнал управления преобразуется в угловое перемещение, пропорциональное изменению частоты вращения, в том числе при изменении нагрузки на валу двигателя.
Дифференциальный сельсин автоматически складывает и вычитает угловые величины путем преобразования двух трехфазных сигналов, поступающих от первого и третьего угловых преобразователей, в суммарное угловое перемещение, позволяя при подаче топлива топливодозирующим органом точно учитывать изменение частоты вращения двигателя как при изменении положения устройства задания частоты вращения, так и при изменении нагрузки на его валу.
Использование в качестве угловых преобразователей сельсинов-датчиков увеличивает плавность и точность перемещения топливодозирующего органа, поскольку по принципу действия сельсин представляет собой поворотный трансформатор высокой статической и динамической точности, у которого при вращении ротора происходит плавное изменение взаимной индуктивности между его обмотками - однофазной первичной (обмоткой возбуждения) и трехфазной вторичной (обмоткой синхронизации). При этом сельсины сохраняют способность к самосинхронизации при высоких скоростях вращения.
Благодаря указанной совокупности признаков при работе регулятора частоты вращения двигателя перемещение топливодозирующего органа происходит точно и плавно как в зависимости от углового перемещения устройства задания частоты вращения, так и в зависимости от изменения мощности двигателя, определяемой по динамике изменения числа оборотов на разных режимах работы двигателя.
В качестве устройства задания частоты вращения на автотракторном транспортном средстве может использоваться педаль подачи топлива, а на стационарной дизельной установке - ступенчато-фиксируемый регулятор подачи топлива, например, поворотного типа.
В качестве датчика частоты вращения может быть использован индуктивный датчик скорости и частоты вращения [Автомобильный справочник. Пер. с англ. - М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2002. - с.107-108]
В качестве сельсина-двигателя и дифференциального сельсина могут быть использованы соответствующие сельсины [Армейский Е.В. и Фалк Г.Б. Электрические микромашины. Изд. 2-е, перераб. и доп. Учебное пособие для элекротех. специальностей вузов. М., «Высш.школа», 1975 - с.182-186].
В качестве угловых преобразователей могут быть использованы трехфазные сельсины-датчики [Там же - с.166-171], или линейные многополюсные поворотные трансформаторы [Там же - с.203-206], или синусно-косинусные поворотные трансформаторы с фазовращательной системой, формирующей на выходе трехфазный управляющий сигнал [Патент RU №2209459, МПК G 05 B 11/01].
В качестве задатчика угла коррекции может быть использован поляризованный электромагнитный исполнительный орган, якорь которого при отсутствии тока удерживается в среднем положении пружиной. В зависимости от направления тока в обмотке якорь может поворачиваться в соответствующем направлении [Гинзбург С.А. и др. Основы автоматики и телемеханики. Под ред. С.А.Гинзбурга. Изд. 4-е перераб. М., «Энергия», 1968. - с.79-80].
Кинематическая связь вала сельсина-двигателя с топливодозирующим органом топливного насоса может осуществляться с помощью различных механических передач, в том числе реечной, рычажной, винтовой и т.п., преобразующих вращательное движение вала сельсина-двигателя в перемещение топливодозирующего органа.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется блок-схемой регулятора частоты вращения двигателя (фиг.1) и электрической блок-схемой частного случая выполнения регулятора дизельного двигателя, в котором угловые преобразователи выполнены в виде трехфазных сельсинов-датчиков, в качестве устройства задания частоты вращения использована педаль подачи топлива, в качестве задатчика угла коррекции использован поляризованный электромагнитный исполнительный орган, а блок управления включает частотомер, сумматор и цифрово-аналоговый преобразователь (фиг.2).
Регулятор частоты вращения двигателя (фиг.1) содержит устройство 1 задания частоты вращения, связанный с первым угловым преобразователем 2, дифференциальный сельсин 3, связанный со вторым угловым преобразователем 4, сельсин-двигатель 5, вал которого кинематически связан с топливодозирующим органом 6 двигателя, датчик 7 частоты вращения двигателя, блок управления 8, задатчик 9 угла коррекции, связанный с третьим угловым преобразователем 10, источник 11 переменного тока. Выход источника 11 параллельно соединен с входами преобразователей 2, 4, 10 и с первым входом сельсина-двигателя 5. Выход преобразователя 2 соединен с первым входом дифференциального сельсина 3, второй вход которого соединен с выходом преобразователя 10. Выход преобразователя 4 соединен со вторым входом сельсина-двигателя 5. Выход датчика 7 соединен с входом блока управления 8, выход блока управления 8 соединен с входом задатчика 9 угла коррекции.
В частном выполнении регулятор частоты вращения дизельного двигателя (фиг.2) содержит устройство 1 задания частоты вращения, выполненный в виде педали 12 подачи топлива. Педаль 12 жестко соединена с валом первого сельсина-датчика 13, выполняющего функцию первого углового преобразователя 2. Трехфазный выход ротора Р1 сельсина 13 соединен с трехфазным входом обмотки статора С1 дифференциального сельсина 3, вал ротора Р2 которого жестко связан с валом второго сельсина-датчика 14, осуществляющего функцию второго углового преобразователя 4. Трехфазный выход ротора РЗ сельсина 14 соединен с трехфазным входом обмотки синхронизации внешнего статора С2 сельсина-двигателя 5, вал которого посредством зубчатого колеса 15 кинематически связан с топливной рейкой 16, являющейся топливодозирующим органом 6 топливного насоса 17 дизельного двигателя.
Выход датчика 7 соединен с входом блока управления 8, совпадающим с входом частотомера 18, выход частотомера 18 соединен с входом сумматора 19, выход сумматора 19 соединен с входом цифрово-аналогового преобразователя 20, выход цифрово-аналогового преобразователя 20 является выходом блока управления 8. Выход блока управления 8 соединен с входом поляризованного исполнительного органа 21, использованного в качестве задатчика 9 угла
коррекции. Исполнительный орган 21 включает обмотку 23, якорь 24. Якорь 24 поляризованного исполнительного органа 21 жестко соединен с валом третьего сельсина-датчика 22, выполняющего функцию третьего углового преобразователя 10. Трехфазный выход ротора Р4 сельсина 22 соединен с трехфазным входом обмотки ротора Р2 дифференциального сельсина 3.
Выход источника 11 параллельно соединен с обмотками возбуждения B1, B2 и В3 сельсинов-датчиков 13, 14 и 22 соответственно и обмоткой возбуждения внутреннего статора С3 сельсина-двигателя 5.
Дополнительно в цепь питания подвижного статора С3 включен конденсатор 25, обеспечивающий временной сдвиг магнитного поля, необходимый для поворота ротора сельсина-двигателя 5 на заданный дифференциальным сельсином 3 угол.
Регулятор работает следующим образом.
При работе двигателя при неизменном положении педали 12 подачи топлива и совпадении последовательно определяемых датчиком 7 и блоком управления 8 частот вращения двигателя изменение положения топливной рейки 16 не происходит.
При изменении положения педали 12 в направлении увеличения топливоподачи, например, нажатием на нее, за счет жесткой связи оси педали 12 с валом сельсина-датчика 13 изменяется положение его ротора Р1. При прохождении переменного тока от источника 11 на выходе сельсина-датчика 13 формируется трехфазный сигнал управления, который поступает на обмотку статора С1 дифференциального сельсина 3, вызывая синхронный и синфазный поворот его ротора Р2 на угол, равный углу изменения положения педали 12. Поскольку валы сельсина 3 и сельсина-датчика 14 жестко связаны, на выходе сельсина 14 сформируется соответствующий новому угловому положению его ротора РЗ трехфазный электрический сигнал. Сигнал поступит на вход сельсина-двигателя 5, создаст пропорциональный вращающий момент на его валу, что за
счет кинематической связи плавно и точно переместит топливную рейку 16 в направлении увеличения подачи топлива в двигатель.
Для уменьшения числа оборотов двигателя положение педали 12 изменяют в направлении уменьшения количества подаваемого в двигатель топлива, что соответствует, например, ее отпусканию. При этом протекают действия, обратные нажатию на педаль 12. Ротор Р1 сельсина 13 повернется в обратном направлении, на его выходе сформируется трехфазный сигнал управления, соответствующий новому углу положения педали 12, магнитный поток статора С1, а затем и ротор Р2 дифференциального сельсина 3 повернутся на соответствующий угол до согласования их магнитных потоков, вызывая поворот сельсина 14, вала сельсина-двигателя 5, что переместит топливную рейку 16 в направлении уменьшения подачи топлива в двигатель и, в итоге, уменьшит цикловую подачу топлива.
Для увеличения плавности перемещения топливной рейки 16 и учета нагрузки на двигателе датчик 7 постоянно регистрирует частоту вращения вала двигателя. Частота вращения периодически, в равные интервалы времени, определяется с помощью частотомера 18. Сумматор 19 вычисляет разность между двумя последовательно определенными значениями частоты вращения. Цифрово-аналоговый преобразователь 20 формирует пропорциональный разности частоты вращения сигнал управления, который поступает на обмотку 23 исполнительного органа 21 и перемещает его якорь 24 в ту или другую стороны в зависимости от полярности сигнала управления. Перемещение якоря 24 за счет жесткой связи с валом сельсина-датчика 22 изменяет положение его ротора Р4.
При увеличении частоты вращения двигателя на выходе сельсина-датчика 22 формируется трехфазный электрический сигнал, соответственно равный отрицательному углу коррекции подачи топлива. Он передается на обмотку ротора Р2 дифференциального сельсина 3 и уменьшает заданный педалью 12 угол поворота ротора Р2 соответственно изменению частоты вращения вала двигателя в заданный промежуток времени.
Уменьшение суммарного угла поворота ротора Р2 дифференциального сельсина 3 уменьшает угол поворота сельсина-датчика 14, а затем и вала
сельсина-двигателя 5, что уменьшает величину перемещения топливной рейки 16, увеличивая плавность ее движения. В результате обеспечивается плавное изменение количества поступающего топлива, исключая возможность резкого изменения частоты вращения двигателя.
При увеличении числа оборотов двигателя, связанном с уменьшением нагрузки на нем, аналогично формируется отрицательный трехфазный сигнал, определяющий поворот вала сельсина-двигателя 5 в обратном направлении для уменьшения подачи топлива, что соответственно уменьшит число оборотов двигателя.
При снижении числа оборотов двигателя, связанном с увеличением нагрузки на нем, разность двух последовательно определяемых частот вращения является положительной, что соответствует наличию на выходе сельсина 22 положительного трехфазного сигнала, необходимого для увеличения подачи топлива. В результате число оборотов двигателя изменяется до первоначально установленного положением педали подачи топлива 12.
Применение заявляемого устройства обеспечивает точность и плавность регулирования положения топливодозирующего органа 6 с помощью устройства 1 задания частоты вращения с автоматическим учетом динамики изменения частоты вращения вала двигателя. Регулятор повышает равномерность изменения подачи количества топлива, поступающего в цилиндры двигателя, и приводит к снижению расхода топлива и повышению экологических показателей работы двигателя, снижая дымность отработавших газов двигателя.