СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МАЛОГАБАРИТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к системам управления малогабаритных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Электронная система управления ДВС (ЭСУД) регулирует количество подаваемого топлива и момент зажигания, в зависимости от режима работы двигателя и параметров окружающей среды. ЭСУД может применяться в тех случаях, когда важна экономия топлива, например в ДВС беспилотных летательных аппаратах (БЛА). Предлагаемый комплект ЭСУД может устанавливаться на новые ДВС, или использоваться для модернизации существующих малогабаритных карбюраторных двигателей.
3
3
В частности установка ЭСУД вместо карбюратора на ДВС БЛА позволяет существенно снизить расход топлива, что приводит к увеличению дальности полёта БЛА. Существующие на рынке ЭСУД, как правило, не являются универсальными, предназначены для конкретной модели серийного двигателя с рабочим объёмом от 1300 см и более. Их сложно перенастроить и использовать на двигателях меньших размеров. Эти системы имеют габариты, превышающие в размеры типичного малогабаритного ДВС БЛА рабочим объемом 35…183см, что препятствует их применению для техники малых размеров.
Известны ЭСУД для транспорта, например система M-Motronic немецкой компании Bosch (Bosch. Системы управления бензиновыми двигателями. Перевод с немецкого. Первое русское издание. М.: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2005. - 432 c. ISBN:5-9698-0025-2.). ЭСУД позволяют обеспечить экономию топлива, стабильный запуск и бесперебойную работу в широком диапазоне температур и атмосферного давления, а также уменьшить уровень вредных выбросов в выхлопных газах.
Недостатками технического решения, применительно к малогабаритным ДВС, являются высокая цена, большие габариты и энергопотребление, избыточная сложность, большое количество внешних датчиков, сложность установки и настройки.
Для малогабаритных ДВС были предложены упрощенные ЭСУД, например, US20040078134, US20020124817, US7536983B2, US20050056261A1, US8555831B2, US20090018750A1 и US6955081B2.
В качестве ближайшего аналога выбран патент США US6955081B2 ELECTRONIC ENGINE CONTROL WITH REDUCED SENSOR SET (Система управления двигателя с уменьшенным количеством датчиков), который был принят за прототип полезной модели.
Данная система использует заслонку с датчиком угла поворота дросселя и датчик положения коленчатого вала. Электронный блок управления (ЭБУ) подает команды на открытие и закрытие топливной форсунки и управляет зажиганием. Для определения момента впрыска используется импульс датчика давления во впускном тракте. Для определения момента зажигания датчик положения коленчатого вала.
Недостатками прототипа являются:
1) повышенный расход топлива, связанный с
нестабильностью газодинамических процессов во впускном тракте, что приводит к ложным срабатываниям датчика, определяющего момент для впрыска топлива четырехтактных ДВС по импульсу пониженного давления во впускном тракте;
отсутствием топливного насоса с регулятором давления, необходимого для точной работы форсунки;
ненадёжностью датчика, определяющего такт впрыска четырехтактных двигателей по импульсу пониженного давления во впускном тракте;
2) большие массогабаритные характеристики, превышающие размеры и массу типичного двигателя беспилотного аппарата, что приводит к невозможности монтажа системы на БЛА. Завышение массы и габаритов связаны, например, с использованием внешних датчиков давления и температуры, необходимых для правильной работы ДВС.
Для заявленной системы выявлены основные общие с прототипом существенные признаки: система управления малогабаритным двигателем внутреннего сгорания, состоящая из топливной форсунки, подключенной топливопроводом к топливному насосу, электрически связанной с выходом электронного блока управления двигателем, а также электрически подключенных к входам электронного блока управления: датчика угла поворота дроссельной заслонки, датчика положения коленчатого вала, датчика такта впуска, датчика температуры и датчика давления окружающего воздуха.
Техническими проблемами заявленной полезной модели являются:
1) обеспечение экономии топлива при работе малогабаритного ДВС;
2) обеспечение надежной работы двигателя при различных условиях окружающей среды;
3) обеспечение простоты установки и настройки системы.
Техническими результатами полезной модели являются:
1) обеспечение подачи оптимального количества топлива и правильный момент искрового зажигания, при различных режимах работы и условиях окружающей среды;
2) обеспечение простоты монтажа компонентов электронной системы управления малогабаритных ДВС, без изменения конструкции двигателя.
Техническая проблема решается благодаря тому, что система управления малогабаритным двигателем внутреннего сгорания, состоящая из топливной форсунки, подключенной топливопроводом к топливному насосу, электрически связанной с выходом электронного блока управления двигателем, а также электрически подключенных к входам электронного блока управления: датчика угла поворота дроссельной заслонки, датчика положения коленчатого вала, датчика такта впуска, датчика температуры и датчика давления окружающего воздуха, выполнена в виде интегрированных модулей: модуля электронного блока управления со встроенными датчиками температуры и давления окружающего воздуха; модуля топливного насоса со встроенным регулятором давления топлива; при этом регулятор давления выполнен с возможностью сброса излишнего топлива; модуля дроссельной заслонки со встроенной форсункой и датчиком угла поворота дроссельной заслонки, при этом датчик такта впуска является магнитным датчиком, выполненным с возможностью определения фактического поднятия коромысла впускного клапана в клапанной крышке, значения времени открытия форсунки и угла опережения зажигания хранятся в постоянном запоминающем устройстве электронного блока управления.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется фиг. 1, где:
1 - ДВС; 2 - электронный блок управления; 3 - аккумулятор,
4 - датчик положения коленчатого вала, 5 - датчик температуры воздуха,
6 - датчик давления воздуха, 7 - свеча зажигания, 8 - коромысло впускного клапана,
9 - магнитный датчик определения такта впуска, 10 - топливная форсунка,
11 - дроссельная заслонка, 12 - датчик поворота дроссельной заслонки,
13 - топливный бак с топливом, 14 - топливный фильтр, 15 - топливный насос,
16 - регулятор давления топлива, 17 - топливопровод.
Предложенное устройство - система управления малогабаритным двигателем внутреннего сгорания 1 состоит из трех интегрированных модулей:
1) модуля электронного блока управления 2 со встроенными датчиками температуры 5 и давления 6 окружающего воздуха. Электронный блок управления 2 подключен к аккумулятору 3, при этом к входам электронного блока управления электрически подключены:
датчик положения коленчатого вала 4;
магнитный датчик такта впуска 9, выполненный с возможностью определения фактического поднятия (приближения к магниту датчика) коромысла впускного клапана 8 в клапанной крышке с целью определения такта впуска четырёхтактного двигателя (момента открытия форсунки);
датчик угла поворота 12 дроссельной заслонки 11;
2) модуля дроссельной заслонки 11 со встроенной форсункой 10 и датчиком угла поворота 12 дроссельной заслонки. При этом топливная форсунка 10 и свеча зажигания 7, электрически подключены к выходу электронного блока управления 2. Топливная форсунка 10 связана топливопроводом 17 с расположенным в топливном баке 13 топливным насосом 15;
3) модуля топливного насоса 15, снабженного топливным фильтром 14 со встроенным регулятором давления топлива 16.. Сброс излишнего топлива происходит из регулятора 16 непосредственно в топливном баке 13.
Заявляемая система управления ДВС работает следующим образом.
К топливной форсунке 10 из топливного бака 13 по топливопроводу 17 под давлением поступает бензин. Давление создаётся модульной сборкой топливного насоса, состоящей из насоса 15, топливного фильтра 14 и регулятора давления топлива 16. При определённом, задаваемым электронным блоком управления 2, угле положения коленчатого вала относительно датчика положения коленчатого вала 4 топливная форсунка 10 открывается на вычисленное электронным блоком управления 2 время в миллисекундах. Мелко распыленные капли топлива впрыскиваются под углом в дроссельную заслонку 11, смешиваясь с поступающим в заслонку воздухом и образуя топливовоздушную смесь. Далее топливовоздушная смесь поступает в цилиндр ДВС 1 и воспламеняется свечой зажигания 7, когда коленчатый вал еще не дошел до верхней мертвой точки на определённый угол. Этот угол, который называется углом опережения зажигания, а также время открытия топливной форсунки 10 хранятся в ПЗУ электронного блока управления 2 в виде таблиц размерностью 16х16, итого 256 значений: 16 значений угла открытия дроссельной заслонки и 16 значений частоты вращения коленчатого вала. Подобные таблицы применяются для двигателей больших размеров. В существующих системах управления применяются таблицы, хранящие косвенную информацию, таблица объёмной эффективности и топливная таблица. В нашем случае в таблице хранится время открытия топливной форсунки, без необходимости постоянных вычислений. Это позволяет использовать очень маленькие и дешевые процессоры с низким энергопотреблением и использовать технологию электронного управления для двигателей малых размеров. Настройка ЭСУД происходит на стенде в режиме калибровки. В режиме калибровки добиваются минимального расхода топлива для каждой ячейки таблиц. Для определения нужной ячейки в ПЗУ электронного блока, как при калибровке, так и дальнейшей работе частота вращения коленчатого вала вычисляется электронным блоком управления 2, угол поворота дроссельной заслонки 11 определяется датчиком угла поворота 12 дроссельной заслонки. Время впрыска топлива корректируется встроенными в ЭБУ ЭСУД датчиками температуры 5 и давления 6 воздуха, согласно заранее внесенным в запоминающее устройство электронного блока управления 2 значениям параметров атмосферы, например, плотности воздуха таблицы стандартной атмосферы по ГОСТ 4401-81.Для определения такта впуска при применении системы, например, на четырехтактных двигателях используется импульс от магнитного датчика определения такта впуска 9, поднимающего коромысло впускного клапана 8 в клапанной крышке. Это позволяет, при применении предлагаемой системы управления на высокоскоростных четырёхтактных двигателях производить впрыск топлива каждый второй (рабочий оборот) и не прыскать топливо, когда впускной клапан 8 закрыт. В результате впрыск происходит в 2 раза реже, дополнительно экономится топливо и достигается более стабильная и надежная работы двигателя.
Таким образом, ЭСУД обеспечивает
1) оптимальную работу и минимальный расход топлива ДВС 1, за счёт того, что система управления вычисляет количество поступающего воздуха по показаниям датчика положения коленчатого вала 4 и датчика угла поворота 12 дроссельной заслонки 11 и выбирает нужную информацию о времени открытия топливной форсунки 10 из одной из 256 ячеек ПЗУ электронного блока управления 2. Система управления также выбирает угол опережения зажигания из аналогичной предварительно настроенной таблицы;
2) система обеспечивает простоту и легкость монтажа на малогабаритном двигателе, например на БЛА, без выполнения дополнительных слесарных и станочных работ, за счёт того, что состоит из трех интегрированных модулей:
модуля электронного блока управления 2 со встроенными датчиками температуры 5 и давления 6 окружающего воздуха;
модуля топливного насоса 15 со встроенным регулятором давления топлива 16;
модуля дроссельной заслонки 11 со встроенной форсункой 10 и датчиком угла поворота 12 дроссельной заслонки.
Для механического монтажа дроссельную заслонку 11 достаточно прикрутить на штатное место карбюратора, опустить модуль топливного насоса 15 в топливный бак 13, подключить модуль электронного блока управления 2 к аккумулятору 3, пристыковать на место все электрические разъёмы, присоединить топливопровод 17 к насосу 15 и форсунке 10. При установке на четырёхтактный двигатель нужно также открутить штатную крышку клапанов и присоединить новую, со встроенным магнитным датчиком такта впуска 9. При установке на четырёхтактный двигатель нужно открутить штатную крышку клапанов и присоединить новую, со встроенным магнитным датчиком 9.
Электронный блок управления поставляется предварительно настроенным на определённую модель двигателя, с информацией о времени работы форсунок в 256 ячейках и углом опережения зажигания также в 256 ячейках.