СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ДИЗЕЛЯ НА РЕЖИМАХ МАЛЫХ ПОДАЧ И МИНИМАЛЬНО УСТОЙЧИВЫХ ОБОРОТОВ ПОД НАГРУЗКОЙ И ХОЛОСТОГО ХОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DIESEL CONTROL AT LOW FEED AND MINIMUM STABLE RPM AT LOAD AND IDLING AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для обеспечения топливной экономичности на малых режимах нагружения и снижения минимально-устойчивых оборотов под нагрузкой и холостого хода.
Известны способ и подобные устройства, используемые на серийных двигателях типа Д100 (см. кн. Гуревич А.Н., Сурженко З.И., Клепач П.Т. Топливная аппаратура тепловозных и судовых дизелей типа Д100 и Д50. Гос. научно-техническое изд-во машиностроительной литературы. М., 1963, с.204). Авторами предложено устройство для выключения части цилиндров дизеля при переходе на холостой режим работы (см. стр.197-200). На рис.152 представлена схема выключения пяти из 10 топливных насосов высокого давления (ТНВД) у двигателя типа Д100 при достижении оборотов холостого хода. Пневмомеханизм (см. рис.154) при подаче воздуха отключает часть цилиндров, а при переходе на другие обороты электропневматический вентиль прекращает подачу воздуха, и под действием пружины 6 рейка насоса высокого давления (орган топливоподачи) занимает прежнее положение.
Недостаток предложенного способа и устройства заключается в усложнении топливной системы двигателя в виде дополнительных элементов (электропневматический вентиль, пневмомеханизм, тяги, дополнительный контакт реле скорости). Кроме того, выключению подлежат одни и те же цилиндры, что обусловливает их больший износ по сравнению с неотключаемыми цилиндрами. Не решается более значительная задача, связанная с обеспечением частичных режимов нагружения (от холостого хода и до ≈25-30% нагрузки). Не обеспечивается снижение частоты вращения холостого хода, так как настройка минимально устойчивых оборотов сохраняется прежней (с обеспечением минимально-устойчивых оборотов под нагрузкой), что не в полной мере решает поставленную задачу улучшения качества работы на малых режимах нагружения.
Известна также топливная система с электронно-управляемым кольцевым нагнетательным клапаном (см. патент РФ №2258823), включающая в себя топливный насос высокого давления (ТНВД) с электронно-управляемым с помощью контроллер-регулятора кольцевым нагнетательным клапаном, имеющим привод от электромагнита, форсунку и датчики положения педали управления подачей топлива, воздуха и частоты вращения.
Данное устройство имеет ряд недостатков: значительное усложнение системы управления, появляется ряд дополнительных элементов, что существенно снижает надежность работы. Сам нагнетательный клапан не обеспечивает качественное протекание рабочего процесса топливоподачи в части разгрузки трубопровода высокого давления (ТВД), в том числе для конечной фазы впрыскивания, что способствует повторным впрыскиваниям на номинальных режимах. Внедрение подобного нагнетательного клапана в линию высокого давления нарушает гидравлическую идентичность по секциям и приводит к высокой неравномерности распределения подач по секциям и циклам. Устройство также не обеспечивает снижение минимально-устойчивых оборотов под нагрузкой и холостого хода.
Наиболее близким к предлагаемому способу управления работой дизеля на режимах минимально-устойчивых оборотов под нагрузкой и холостого хода и устройству для его осуществления является патент «Способ управления работой транспортного двигателя внутреннего сгорания на режиме динамического холостого хода и устройство для его осуществления» (RU 2204730 С2, МПК F02D 41/16, F02D 17/04, G01M 15/00, от 20.05.2003). Сутью предложенного способа является задание тактов выбега и разгона путем автоматического воздействия на орган топливоподачи в области пониженных частот вращения коленчатого вала по сигналам датчиков положения педали муфты сцепления и рычага переключения коробки передач транспортного средства, для чего использован блок управления электромагнитом. Устройство для реализации способа включает в себя датчик положения задатчика скоростного режима, включатель и контактные датчики муфты сцепления, рычага переключения коробки передач, электрически последовательно связанные между собой и с датчиком положения задатчика скоростного режима и включенные в цепь питания блока управления.
Недостатками этого способа управления и устройства управления являются:
- сложность системы управления режимами, на которых производится выбег и разгон транспортного двигателя, когда он работает на режимах динамического холостого хода;
- снижение надежности из-за последовательного соединения многочисленных датчиков положения;
- способ и устройство не обеспечивают надлежащее качество управления при забросах органа управления топливоподачей, снижается эффективность рабочего процесса двигателя из-за резко выраженных динамических бросков нагрузки;
- не обеспечиваются минимально устойчивые обороты коленчатого вала под нагрузкой и при холостом ходе, управление происходит на явно выраженных переходных режимах между выбегом и разгоном (на так называемых режимах динамического холостого хода);
- не обеспечивается снижение минимально устойчивых оборотов под нагрузкой и холостого хода;
- в работе находятся все цилиндры двигателя, поэтому не обеспечивается «экономия» ресурса цилиндропоршневой группы, более того, на явно выраженных динамических режимах работы ухудшаются условия смазывания, происходит ударная выборка зазоров с усилением износных процессов;
- управление производится только при пониженных частотах вращения, когда осуществляются операции выключения-включения сцепления и коробки передач, однако вне поля рассматриваемых режимов остаются режимы малых нагрузок, когда из-за неудовлетворительной работы топливной аппаратуры ухудшаются топливная экономичность, возрастают выбросы вредных для окружающей среды продуктов сгорания, возрастает неравномерность вращения вала двигателя и т.д.;
- способ и устройство распространяются на ограниченный перечень двигателей, а именно на транспортные двигатели, в то время как режимы малых подач и минимально-устойчивых оборотов под нагрузкой и холостого хода характерны для судовых, стационарных, тепловозных и промышленного применения двигателей, например, дизель маневрового тепловоза работает до 70% всего времени на малых нагрузках и холостом ходе, подобные малые режимы нагрузок характерны для двигателей рыбопромысловых судов и для стационарных установок.
Технической задачей изобретения является повышение качества работы двигателя на режимах малых нагрузок и снижение минимально устойчивых оборотов под нагрузкой и при холостом ходе, расширение области применения для всей номенклатуры используемых в эксплуатации двигателей.
Поставленная задача достигается за счет применения способа управления работой двигателя на режимах малых подач и минимально устойчивых оборотов под нагрузкой и холостого хода, заключающегося в создании автоматического колебательного воздействия на орган топливоподачи при снижении нагрузки до значения, меньшего 30% от номинальной, когда по сигналу датчика положения органа топливоподачи на орган топливоподачи подается дополнительно к воздействию от автоматического регулятора скорости сигнал от блока управления с формирователем частоты через генератор синусоидальных колебаний электрического тока, синхронизированный при помощи датчика угла поворота коленчатого вала с его угловым положением (принципиально генератор может вырабатывать, например, и П-образные колебания электрического тока).
Новые существенные признаки предлагаемого способа и устройства для его осуществления заключаются в том, что при снижении нагрузки менее 30% по сигналу датчика положения органа топливоподачи автоматически на орган топливоподачи (рейку ТНВД) подается бесконтактно дополнительно к воздействию от автоматического регулятора скорости сигнал от блока управления с формирователем частоты через генератор синусоидальных колебаний электрического тока, синхронизированный при помощи датчика угла поворота коленчатого вала с его угловым положением.
Использование датчиков положения органа топливоподачи и угла поворота коленчатого вала двигателя совместно с блоком управления и генератором синусоидальных колебаний электрического тока позволяет автоматизировать процесс управления при малых нагрузках и холостом ходе, при этом сохраняя функции автоматического регулятора скорости по обеспечению минимально устойчивых оборотов под нагрузкой и при холостом ходе, и, более того, при соответствующей настройке системы автоматического регулирования частоты вращения (САРч) позволяют снизить минимально устойчивые обороты под нагрузкой и при холостом ходе в соответствии с требованиями действующего ГОСТа 10150-88 и даже ниже. Это предопределяет высокое качество работы двигателей и повышает показатели свойств надежности. Кроме того, приведены примеры частот колебаний органа топливоподачи, при которых производится отключение части цилиндров.
Применение новых существенных признаков позволяет улучшить управление двигателем на режимах малых нагрузок и холостом ходе и повысить эффективность использования двигателя в условиях его эксплуатации.
Способ управления работой двигателя на режимах малых подач и минимально устойчивых оборотов под нагрузкой и при холостом ходе показан на фиг.1. Например, для 4-тактного шестицилиндрового двигателя задание с помощью блока управления с формирователем частоты через генератор синусоидальных колебаний периодических перемещений органа топливоподачи (рейки), приводящих его в колебательный режим с помощью исполнительного механизма (ИМ) в виде бесконтактно установленного на рейке электрического соленоида с частотой  (здесь n - частота вращения коленчатого вала, об/мин) и с такой настройкой фазового сдвига по отношению к первому цилиндру, чтобы максимум амплитуды соответствовал этому цилиндру. Очевидно, что в цилиндрах 1, 3 и 2 будет происходить рабочий процесс при повышенном ходе рейки, а цилиндры 5, 6 и 4 практически будут отключены (см. фиг.1 при положении рейки ). Аналогично обеспечивается режим при положении рейки . Пунктиром показан процесс увеличения амплитуды хода рейки из-за того, что автоматический регулятор скорости восстанавливает заданный скоростной режим, увеличивая ход рейки, так как половина цилиндров практически не работает. Зато оставшиеся в работе цилиндры при большей подаче топлива работают устойчиво и с более высокими показателями рабочего процесса (топливная экономичность. меньшая неравномерность вращения). При соответствующей настройке САРч становится возможным снижение минимально устойчивых оборотов под нагрузкой и холостом ходе. Варьируя амплитудой колебаний рейки, экспериментально можно достичь полного отключения половины цилиндров.
Так как цикл работы совершается за 2 оборота вала, то всякий раз при выходе на режим, меньший 30%, датчик угла поворота коленчатого вала, срабатывая от отметчика угла поворота как генератор случайных чисел, будет вводить в работу или цилиндры 1-3-2, или 5-6-4. Этим и обеспечивается равноценное в процессе эксплуатации отключение половины цилиндров, поэтому последние будут иметь одинаковый износ в процессе работы.
Для двухтактного двигателя для обеспечения вывода из работы половины цилиндров необходимо устанавливать два отметчика угла поворота вала со смещением 180° п.к.в. (или половина оборота вала).
Возможен выбор других частот колебаний рейки для обеспечения той же задачи, например  (см. фиг.2). При этом работают цилиндры 1-2-3, но через цикл, а 5-6-4 работают при меньшей подаче и тоже через цикл.
Аналогично возможен выбор задания оптимальных частот колебаний рейки для двигателей с другим количеством цилиндров, углом заклинки колен коленчатого вала и тактностью рабочего процесса.
Способ может быть реализован как при производстве новых двигателей внутреннего сгорания, так и при модернизации находящихся в эксплуатации. Улучшение качества работы на режимах малых подач и холостого хода, а также возможное при этом снижение минимально устойчивых оборотов повышают эффективность применения не только транспортных двигателей, но и главных судовых, стационарных, тепловозных и промышленного использования и обеспечивают выполнение требований ГОСТ 10150-88 в этой части.
Технический результат достигается за счет применения устройства, реализующего предлагаемый способ управления работой двигателя на режимах малых подач и минимально устойчивых оборотов под нагрузкой и при холостом ходе, содержащего двигатель (дизель), автоматический регулятор скорости, орган топливоподачи, блок управления, исполнительный механизм и датчики, отличающегося тем, что двигатель снабжен датчиком угла поворота коленчатого вала с двумя отметчиками угла поворота, установленными через 180° п.к.в. (половина оборота) для 2-тактного двигателя, и одним отметчиком для четырехтактного, датчиком положения органа топливоподачи, блоком управления с формирователем частоты, генератором синусоидальных колебаний электрического тока, исполнительным механизмом в виде электрического соленоида, бесконтактно установленным на органе топливоподачи, причем блок управления с формирователем частоты и генератором синусоидальных колебаний электрического тока электрически соединены между собой и включены в цепь источника питания, причем сигналы от датчиков положения органа топливоподачи и угла поворота коленчатого вала поступают на вход блока управления, выход которого соединен со входом генератора синусоидальных колебаний электрического тока, а выход последнего электрически связан с исполнительным механизмом в виде электрического соленоида.
Новые существенные признаки предлагаемого устройства для его осуществления заключаются в том, что путем задания периодических колебаний органа топливоподачи с помощью генератора синусоидальных колебаний электрического тока возможно отключение части цилиндров, при этом отключение происходит попеременно, так что износы цилиндров практически одинаковы, но при этом за счет увеличенного хода органа топливоподачи обеспечивается улучшение качества работы на режимах малых подач и холостого хода (снижается неравномерность вращения вала, повышается кпд), а также возможно снижение оборотов, что повышает эффективность применения не только в транспортных двигателях, но и в главных судовых, стационарных, тепловозных и промышленного назначения.
Применение датчиков угла поворота коленчатого вала и положения органа топливоподачи совместно с блоком управления, формирователем частоты, генератором синусоидальных колебаний электрического тока и исполнительным механизмом позволяет автоматизировать процессы управления работой двигателя на режимах малых подач и минимально-устойчивых оборотов под нагрузкой и при холостом ходе.
На фиг.3 представлена функциональная схема устройства для управления работой двигателя на режимах малых подач и минимально устойчивых оборотов под нагрузкой и при холостом ходе, реализующая предложенный способ.
Устройство содержит двигатель (дизель) 1 с маховиком 3, автоматический регулятор скорости 10 с выходным рычагом 11, орган топливоподачи (ТНВД 7) с рейкой 8, блок управления 13 с формирователем частоты, генератор синусоидальных колебаний электрического тока 12, исполнительный механизм (ИМ) в виде электрического соленоида 9 с подвижным якорем 2 и датчики угла поворота коленчатого вала 5 и положения органа топливоподачи 6, при этом датчик угла поворота коленчатого вала 5 снабжен двумя отметчиками угла поворота, установленными через 180° п.к.в. (половина оборота) для 2-тактного двигателя и одним отметчиком для четырехтактного, датчик положения органа топливоподачи 6 снабжен отметчиком положения органа топливоподачи, срабатывающим при снижении нагрузки меньше 30%, а блок управления 13 и генератор синусоидальных колебаний электрического тока 12 электрически соединены между собой и включены в цепь источника питания 14, причем сигналы от датчиков положения органа топливоподачи 6 и угла поворота коленчатого вала 5 поступают на вход блока управления 13, выход которого связан со входом генератора синусоидальных колебаний электрического тока 12, а выход последнего электрически связан с исполнительным механизмом в виде электрического соленоида 9, бесконтактно установленным на органе топливоподачи 7 с рейкой 8.
Работа устройства происходит следующим образом. При снижении нагрузки ниже 30% по сигналу датчика 6 блок управления 13 с формирователем частоты обеспечивает команду запуска для генератора 12 синусоидальных колебаний электрического тока, которые через ИМ 9 создают колебательное движение рейки органа топливоподачи 7 с частотой и амплитудой (согласно описанию способа, см. фиг.1) дополнительно к основному сигналу от автоматического регулятора скорости 10, определяющему скоростной режим двигателя 1. Регулятор 10 обеспечивает среднее положение рейки для заданного режима работы. Для снижения мощности электрического соленоида 9 передачу от выходного рычага регулятора 11 на рейку 8 возможно выполнить упругой через пружинную связь, при этом следует так выбрать жесткость пружины, чтобы не нарушалась работа САРч на переходных режимах (см. фиг.4, поз.15), как, например, это реализовано на дизелях 64 18/22, 4Ч 12/14 и др. Датчик угла поворота 5 через блок управления 13 формирует фазовое положение сигнала генератора синусоидальных колебаний электрического тока 12 по отношению к выбранному номеру цилиндра (как это показано на фиг.1 для способа управления). Фазовое смещение подбирается при доводке устройства, при этом имеется в виду, что запаздывание в диапазоне от минимально устойчивых оборотов под нагрузкой и до режима холостого хода практически сохраняется одинаковым, что существенно упрощает настройку. Для 2-тактного двигателя устанавливаются 2 отметчика угла поворота 4 в виде известных в практике штифтов на поверхности маховика 3 под индуктивные датчики, каковым является датчик 5. Запуск блока управления происходит со смещением сигнала от датчика 5, поэтому практически отключение половины цилиндров происходит с одинаковой вероятностью в процессе эксплуатации. Для 4-тактного двигателя используется аналогично один и тот же отметчик положения 4 (анализ работы представлен в «способе»). Устройство работает в автоматическом режиме, обеспечивая комфортные условия работы обслуживающего персонала. При изменении режима работы (нагрузка выходит за пределы режима малых подач) блок управления отключает генератор синусоидальных колебаний и САРч выходит на стандартный режим работы.