СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ САМОХОДНОЙ РАБОЧЕЙ МАШИНЫ
SELF-PROPELLED WORKING MACHINE ENGINE CONTROL SYSTEM

Область техники
Настоящее изобретение относится к системе регулирования двигателя самоходной рабочей машины, к способу эксплуатации такой системы регулирования двигателя и использованию этой системы регулирования двигателя в соответствии с ограничительной частью пунктов 1 и 11 формулы изобретения.
Уровень техники
Из патентного документа DE 3810724 известна система регулирования двигателя, которая по соображениям экономии топлива при эксплуатации приводного двигателя в области частичной нагрузки при низком числе оборотов должна обеспечивать работу рабочих органов с постоянным числом оборотов независимо от того, работает ли приводной двигатель с более высоким или более низким числом оборотов. В первом примере осуществления данного изобретения предложена структурная схема системы, в которой для каждого рабочего органа децентрализованным образом предназначен преобразователь крутящего момента, так что каждый рабочий орган может индивидуально настраиваться на измененное число оборотов двигателя. Помимо высоких затрат на систему децентрализованных преобразователей крутящего момента здесь требуется дорогостоящая аппаратура управления, так как для каждого рабочего органа необходимы средства контроля и управления. На этом основании в другом примере осуществления предлагается предусмотреть единственный центральный трансмиссионный блок, который расположен непосредственно в приводной трансмиссии между приводным двигателем и множеством рабочих органов, то есть потребителей, и с помощью соответствующего электронного блока управления настраивает число оборотов приводной трансмиссии на измененное число оборотов двигателя, при этом центральный трансмиссионный блок выполнен в виде коробки передач, переключаемой под нагрузкой. Такое решение, с одной стороны, имеет то преимущество, что кинематическая связь с приводными органами не должна прерываться во время процесса переключения. Однако из-за отграниченного числа ступеней переключаемой под нагрузкой коробки передач возможности изменения числа оборотов двигателя ограничены.
В отличие от этого решения в патентном документе ЕР 1609349 описана система регулирования числа оборотов двигателя, в которой выходной вал приводного двигателя непосредственно связан с солнечной шестерней планетарного механизма, в то время как гидромотор, кинематически связанный с коронной шестерней, обеспечивает изменение числа оборотов выходного вала планетарного механизма. За счет кинематической связи планетарного механизма непосредственно с приводным двигателем и с гидроприводом создается гидромеханический трансмиссионный блок с разветвлением мощности, кпд которого из-за потерь мощности в гидравлическом потоке передачи мощности заметно ниже по сравнению с чисто механической передачей мощности. В результате приводной двигатель должен эксплуатироваться в диапазоне крутящих моментов, который, как правило, требует области более высоких номинальных чисел оборотов, что в конечном счете приводит к более высокому расходу топлива.
Раскрытие изобретения
Соответственно, задачей изобретения является устранение недостатков известных решений уровня техники и в особенности создание системы регулирования двигателя для самоходных рабочих машин, обеспечивающей оптимальный низкий расход топлива во всем рабочем диапазоне приводного двигателя.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет отличительных признаков по пунктам 1 и 11 формулы изобретения.
Согласно изобретению система регулирования двигателя самоходной рабочей машины содержит, по меньшей мере, один регулируемый по числу оборотов приводной двигатель и регулируемые по числу оборотов приводные рабочие органы, соединенные с ним посредством приводной трансмиссии, причем эта приводная трансмиссия содержит, по меньшей мере, один трансмиссионный блок, который поддерживает постоянное число оборотов привода рабочего органа или органов за счет того, что, по меньшей мере, один трансмиссионный блок выполнен в виде передаточного механизма разветвления мощности с механическими ветвями передачи мощности. Благодаря этому обеспечивается возможность эксплуатации приводного двигателя в диапазоне чисел оборотов с низким расходом топлива, причем это не отражается на числах оборотов привода рабочих органов.
В предпочтительном примере осуществления изобретения входной вал трансмиссионного блока соединен с выходным валом приводного двигателя, а выходной вал трансмиссионного блока соединен с приводной трансмиссией, по меньшей мере, одного рабочего органа, при этом изменение числа оборотов двигателя вызывает изменение числа оборотов выходного вала трансмиссионного блока, а настройка числа оборотов выходного вала трансмиссионного блока осуществляется в области чисел оборотов бесступенчатым образом. Особенное преимущество такого решения заключается в том, что число оборотов отбора мощности на выходном валу трансмиссионного блока может поддерживаться постоянным в широком диапазоне чисел оборотов двигателя, а число оборотов двигателя может переводиться на любую ступень чисел оборотов.
Простой в техническом осуществлении пример выполнения бесступенчато регулируемого передаточного механизма разветвления мощности с механическими ветвями передачи мощности обеспечивается в том случае, когда передаточный механизм разветвления мощности с механическими ветвями передачи мощности содержит передачу с тяговыми средствами для передачи доли мощности привода с постоянным числом оборотов и бесступенчатый механизм для передачи другой доли мощности привода с переменным числом оборотов, причем указанные доли мощности сводятся в суммирующем механизме передаточного механизма разветвления мощности с механическими ветвями передачи мощности.
Высокая функциональная надежность трансмиссионного блока достигается в предпочтительном примере выполнения за счет использования апробированных передаточных компонентов, то есть за счет того, что передача с тяговыми средствами выполнена в виде ременного привода, бесступенчатый механизм выполнен в виде вариатора скоростей, а суммирующий механизм выполнен в виде планетарного механизма.
В чрезвычайно компактном примере осуществления с небольшим числом требующихся компонентов предназначенный для выходного вала трансмиссионного блока ременный шкив передачи с тяговыми средствами жестко соединен с коронной шестерней планетарного механизма, а предназначенный для выходного вала трансмиссионного блока ременный шкив вариатора скоростей жестко соединен с несущим сателлитные шестерни водилом планетарного механизма, при этом другой ременный шкив передачис тяговыми средствами и другой ременный шкив вариатора скоростей жестко соединены с выходным валом, по меньшей мере, одного приводного двигателя. За счет этого устраняются отдельный входной вал трансмиссионного блока и промежуточные передаточные компоненты.
Однако в аспекте предварительного изготовления модулей трансмиссии может быть предпочтительным другое решение по развитию изобретения, в котором жестко соединенные с выходным валом, по меньшей мере, одного приводного двигателя другой ременный шкив передачи с тяговыми средствами и другой ременный шкив вариатора скоростей жестко соединены с выходным валом, по меньшей мере, одного приводного двигателя посредством входного вала, предназначенного для трансмиссионного блока. При этом передаточный механизм по изобретению может быть предварительно изготовлен в виде отдельного конструктивного узла независимо от других компонентов.
Для обеспечения возможности автоматизации регулирования числа оборотов двигателя в следующем предпочтительном примере осуществления предусмотрен блок управления и регулирования, который определяет требуемую мощность для приводной трансмиссии и/или рабочих органов и с учетом характеристических линий двигателя и характеристических линий расхода топлива приводного двигателя или двигателей и требуемой мощности двигателя регулирует число оборотов двигателя в области частичной нагрузки с наиболее низким удельным расходом топлива.
В простейшем случае поддержание примерно постоянного числа оборотов отбора мощности на выходном валу трансмиссионного блока достигается за счет того, что в соответствии с повышением или снижением числа оборотов двигателя пропорционально снижается или повышается число оборотов выходного вала, по меньшей мере, одного трансмиссионного блока.
В зависимости от имеющегося в распоряжении конструктивного пространства и расстояний для прохода трансмиссии от приводного двигателя к рабочим органам в следующем предпочтительном примере осуществления передаточный механизм разветвления мощности с механическими ветвями передачи мощности может содержать зубчатую передачу для передачи доли мощности привода с постоянным числом оборотов и бесступенчатый механизм, выполненный в виде преобразователя с цепной передачей, для передачи другой доли мощности привода с переменным числом оборотов, причем указанные доли мощности сводятся в суммирующем механизме передаточного механизма разветвления мощности с механическими ветвями передачи мощности.
Возможен также вариант выполнения, в котором для каждого рабочего органа децентрализованным образом предназначен бесступенчатый механизм для настройки числа оборотов, так что каждый рабочий орган настраивается индивидуально на изменение числа оборотов двигателя без необходимости в дорогостоящем суммирующем механизме.
За счет того что посредством системы регулирования двигателя число оборотов, по меньшей мере, одного двигателя поддерживают постоянным до тех пор, пока не будет достигнута пороговая величина требуемой мощности, и только при превышении этой пороговой величины требуемой мощности производят переключение на следующую ступень чисел оборотов, обеспечивается поддержание примерно постоянного числа оборотов отбора мощности на выходном валу трансмиссионного блока при минимальном количестве изменений числа оборотов двигателя.
Для того чтобы при кратковременных пиках нагрузки на различных рабочих органах избежать глушения приводного двигателя, в предпочтительном примере осуществления пороговая величина требуемой мощности лежит ниже ограничительной характеристической линии соответствующего приводного двигателя. Предпочтительно пороговая величина требуемой мощности лежит примерно на 20% ниже ограничительной характеристической линии соответствующего приводного двигателя.
В зависимости от того, находится ли приводной двигатель в мгновенной точке эксплуатации в состоянии неполной нагрузки или перегрузки, в предпочтительном примере осуществления предусмотрено, что в зависимости от требуемой мощности при достижении пороговой величины требуемой мощности производят переключение на более высокое или более низкое число оборотов. При этом регулирование числа оборотов двигателя и соответствующую настройку числа оборотов бесступенчатого механизма предпочтительно производят с помощью блока управления двигателем и/или блока управления и регулирования.
Для обеспечения по возможности высокого кпд во всем рабочем диапазоне чисел оборотов двигателя в предпочтительном примере осуществления при повышении числа оборотов двигателя приходящуюся на бесступенчатый механизм долю мощности снижают.
Дальнейшие предпочтительные примеры осуществления являются предметом защиты в зависимых пунктах.
Краткий перечень чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения. На чертежах:
фиг.1 изображает самоходную рабочую машину по изобретению, выполненную в виде зерноуборочного комбайна,
фиг.2 изображает схему приводной трансмиссии,
фиг.3 изображает диаграмму, иллюстрирующую способ регулирования на основе характеристических линий двигателя.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показана самоходная рабочая машина 1, выполненная в виде зерноуборочного комбайна 2, который известным образом оснащен передним навесным жатвенным аппаратом 3 для срезания и транспортирования убираемой массы 4. Для обработки убранной массы 4 комбайн оснащен самыми различными рабочими органами 5. В показанном примере выполнения в их состав входят молотильный аппарат 7, содержащий один или несколько молотильных барабанов 6, частично охватываемых подбарабаньями 8, расположенное за молотильным аппаратом 7 сепарирующее устройство 10 в виде клавишного соломотряса 9 и расположенное под ним очистное устройство 11. Молотильный аппарат 7 и/или сепарирующее устройство 10 могут быть выполнены также в виде известного и здесь не представленного осевого ротора, а очистное устройство 11 состоит, как правило, из нескольких совершающих колебания решет 12 и предназначенного для них очистного вентилятора 13.
Кроме того, комбайн 2 оснащен приводным двигателем 14, который через подробно описанную далее приводную трансмиссию 15 передает энергию привода рабочим органам 5 и не показанному подробно приводу 16 хода для привода ходовых колес 17 передней ходовой оси 18 и/или ходовых колес 19 задней ходовой оси 20. К рабочим органам, приводимым от приводного двигателя 14, относятся также жатвенный аппарат 3 и расположенный перед молотильным аппаратом 7 наклонный транспортирующий орган 21 так называемого наклонного питателя 22.
На фиг.2 показана схема приводной трансмиссии 15 по изобретению. С выходным валом 23, по меньшей мере, одного приводного двигателя 14 связан трансмиссионный блок 24, выполненный в виде передаточного механизма 25 разветвления мощности с механическими потоками или ветвями передачи мощности, как это будет подробно описано далее. Передаточный механизм 25 разветвления мощности с механическими ветвями передачи мощности содержит передачу 26 с тяговыми средствами, вариатор 27 скоростей и планетарный механизм 28, расположенный на выходе на промежуточном валу 29, при этом выходной вал 30 трансмиссионного блока 24 жестко соединен с солнечным зубчатым колесом или солнечной шестерней 31 планетарного механизма 28. Далее в целях упрощения все зубчатые колеса передаточных механизмов будут называться шестернями. Ременный шкив 32 передачи 26 с тяговыми средствами жестко соединен с выходным валом 23 приводного двигателя 14. Другой ременный шкив 34, направляющий тяговые средства 33 в виде приводных ремней 33, жестко соединен с коронной шестерней 35 планетарного механизма 28, так что передача 26 с тяговыми средствами передает непосредственно на коронную шестерню 35 планетарного механизма 28 долю мощности, отбираемую им от приводного двигателя 14. В рамках изобретения предусмотрено, что наружный контур коронной шестерни 35 может быть выполнен в виде ременного шкива 34.
Кроме того, с выходным валом 23 приводного двигателя 14 жестко связан ременный шкив 36 вариатора 27 скоростей. Другой ременный шкив 37 вариатора 27 скоростей жестко связан с промежуточным валом 29 трансмиссионного блока 24 по изобретению, с которым также соединено водило 39 планетарного механизма 38. Таким образом, доля мощности приводного двигателя 14, передаваемая клиновым ремнем 40 вариатора 27 скоростей, передается непосредственно через сателлитные шестерни 38 на солнечную шестерню 31 и, следовательно, на выходной вал 30 трансмиссионного блока 24 по изобретению. При этом трансмиссионный блок 24 структурирован таким образом, что через передачу 26 с тяговыми средствами в планетарный механизм 28, функционирующий в качестве так называемого суммирующего механизма 42, доля мощности приводного двигателя 14 вводится с числом nmot оборотов, а доля мощности приводного двигателя 14, которая вводится в планетарный механизм 28 через вариатор 27 скоростей, функционирующий в качестве бесступенчатого механизма 43, может регулироваться по числу nvar оборотов. За счет того, что коронная шестерня 35 планетарного механизма 28 зацепляется с сателлитными шестернями 38, а они зацепляются с солнечной шестерней 31, число nab оборотов выходного вала 30 трансмиссионного блока 24 может быть отрегулировано таким образом, что независимо от изменения числа nmot оборотов двигателя выходной вал 30 трансмиссионного блока 24 всегда вращается с постоянным числом nab оборотов, при этом передача мощности двигателя осуществляется исключительно механическим путем. Эта возможность обеспечивается за счет того, что вариатор 27 скоростей может бесступенчато изменять число nvar оборотов в определенном диапазоне.
В рамках изобретения возможен вариант, при котором, как это было описано, связанные с приводным двигателем 14 ременные шкивы 32, 36 жестко укреплены непосредственно на выходном валу 23 приводного двигателя 14. В другом варианте выполнения эти ременные шкивы могут быть расположены на входном валу 41 трансмиссионного блока 24, причем в этом случае входной вал 41 трансмиссионного блока 24 жестко соединен с выходным валом приводного двигателя 14.
Далее на фиг.2 схематично показана структура приводной трансмиссии 15, которая кинематически связывает выходной вал 30 трансмиссионного блока 23 с различными рабочими органами 5 самоходной рабочей машины 1. Известным образом приводная трансмиссия 15 может содержать механические, гидравлические и/или электрические устройства передачи энергии для привода различных рабочих органов 5. В представленном примере выполнения, в комбайне 2 эти различные рабочие органы 5 образованы жатвенным аппаратом 3, наклонным транспортирующим органом 21 питателя, молотильными аппаратами 7, сепарирующим устройством 10, очистным устройством 11 и приводом 16 хода. В рамках изобретения могут присутствовать и другие, не описанные рабочие органы 5, такие как, например, соломорезка и разбрасыватель соломы. По меньшей мере, один приводной двигатель 14 снабжен так называемым блоком 44 управления двигателем, который связан с блоком 45 управления и регулирования, предназначенным для самоходной рабочей машины 1. Известным образом для каждого рабочего органа 5 может быть предназначен известный как таковой датчик 46 крутящего момента, который генерирует сигнал Z требуемой мощности и передает его на блок 45 управления и регулирования. В рамках изобретения в целях снижения затрат может быть предусмотрено меньшее число датчиков 46 крутящего момента. В простейшем случае для приводной трансмиссии 15 может быть предназначен только один датчик 46 крутящего момента для определения общей требуемой мощности комбайном 2.
В зависимости от структуры предназначенных для приводного двигателя 14 блока 44 управления двигателем и блока 45 управления и регулирования в блоке 44 управления двигателем и/или блоке 45 управления и регулирования заложены характеристические линии 47 двигателя, которые в то же время устанавливают характеристические линии 48 расхода топлива в зависимости от мощности Pmot двигателя и удельного расхода топлива. Кроме того, блок 45 управления и регулирования содержит программный модуль 49, который из сигналов Z требуемой мощности с учетом характеристических линий 47 двигателя и характеристических линий 48 расхода топлива определяет число nmot оборотов при эксплуатации, по меньшей мере, одного приводного двигателя 14, обеспечивающее оптимальное обеспечение рабочих органов 5 энергией привода и одновременно низкий расход топлива. Это оптимальное число nmot оборотов двигателя передается посредством сигнала Y управления на блок 44 управления двигателем и тот регулирует подачу топлива таким образом, что на выходном валу 23 приводного двигателя 14 настраивается установленное оптимизированное число nmot оборотов двигателя, и приводной двигатель эксплуатируется в соответствии с точкой 51 эксплуатации, лежащей в области 50 частичной нагрузки.
Для того чтобы при изменении числа nmot оборотов двигателя выходное число nab оборотов на выходном валу 30 трансмиссионного блока 24 по изобретению оставалось постоянным, теперь необходимо в соответствии со снижением числа nmot оборотов двигателя пропорционально повысить число nvar оборотов вариатора скоростей или наоборот, в соответствии с повышением числа nmot оборотов двигателя понизить число nvar оборотов вариатора скоростей. В предпочтительном варианте осуществления это может достигаться путем того, что выходной вал 23 приводного двигателя 14, промежуточный вал 29 и выходной вал 30 передаточного механизма 25 разветвления мощности с механическими ветвями передачи мощности снабжены известными и не описываемыми здесь датчиками 52 числа оборотов, которые генерируют сигналы Х числа оборотов и передают их на блок 45 управления и регулирования. В блоке 45 управления и регулирования из этих сигналов Х числа оборотов вырабатывается сигнал W числа оборотов вариатора скоростей и передается на блок 53 управления вариатором 27 скоростей. Соответственно, ременные шкивы 36 раздвигаются или сдвигаются, и число nvar оборотов вариатора скоростей изменяется таким образом, что настраивается примерно постоянное выходное число nab оборотов на выходном валу 30 трансмиссионного блока 24.
Далее, в рамках изобретения предусмотрено, что передаточный механизм 25 разветвления мощности с механическими ветвями передачи мощности может содержать вместо передачи 26 с тяговыми средствами зубчатую передачу, которая здесь не представлена. С другой стороны, вполне возможно вместо вариатора скоростей использовать известный и здесь не описываемый преобразователь с цепной передачей для достижения описанного эффекта, то есть возможности изменения числа nmot оборотов двигателя при примерно неизменном числе nab оборотов на выходном валу 30 трансмиссионного блока 24 по изобретению. Кроме того, передаточный механизм 25 разветвления мощности с механическими ветвями передачи мощности может иметь децентрализованную структуру в таком виде, что, по меньшей мере, бесступенчатый механизм 43 децентрализованным образом предназначен для соответствующего рабочего органа 5. С одной стороны, такое решение имеет преимущество в том, что устраняется необходимость в суммирующем механизме 42, а вариаторы скоростей, которые и так имеются на части рабочих органов 5, могли бы использоваться непосредственно для индивидуальной настройки числа оборотов. С другой стороны, при таком варианте осуществления для каждого рабочего органа 5 потребовались бы бесступенчатый механизм 43 и соответствующие блоки контроля и регулирования числа оборотов.
При дорожном движении самоходной рабочей машины 1 все рабочие органы 5, кроме привода 16 хода, находятся в нерабочем режиме. В этом случае в варианте осуществления может быть предусмотрено, что для привода не представленного насоса привода 16 хода передается непосредственно число nvar оборотов вариатора скоростей на промежуточном валу 29 трансмиссионного блока 24. При этом число оборотов питающего насоса привода 16 хода повышается таким образом, что даже при пониженном числе nmot оборотов двигателя обеспечивается достаточная объемная подача насоса.
Фиг.3 иллюстрирует способ по изобретению на основе диаграммы характеристики двигателя. На диаграмме представлена характеристическая линия 47 двигателя, которая представляет зависимость между мощностью Pmot двигателя и числом nmot оборотов двигателя и является так называемой ограничительной характеристической линией 54, а также множество характеристических линий 48 расхода топлива, причем расход топлива возрастает от характеристической линии 48а до характеристической линии 48n.
Согласно способу по изобретению предусмотрено, что число nmot оборотов, по меньшей мере, одного приводного двигателя 14 удерживается постоянным на первой ступени nmot1 чисел оборотов, пока не будет достигнута пороговая величина 55 требуемой мощности, и при ее превышении осуществляется переключение двигателя на следующую ступень nmot2 чисел оборотов двигателя. В зависимости от требуемой мощности на рабочих органах 5 самоходной рабочей машины 1 приводной двигатель 14 в соответствии с фиг.3 эксплуатируется на точке 51 эксплуатации с числом nmot1 оборотов двигателя. Если требуемая мощность на рабочих органах 5 возрастает, например, вследствие повышения расхода убранной массы, который должен обрабатываться рабочими органами 5 комбайна 2, или вследствие увеличения территории объезда, точка 51 эксплуатации приводного двигателя 14 при сохранении мгновенного числа nmot1 оборотов двигателя сдвигается к точке 51' эксплуатации с более высокой мощностью Pmot двигателя. Когда далее точка 51' эксплуатации достигает пороговой величины 55 требуемой мощности, блок 44 управления двигателем во взаимодействии с уже описанным блоком 45 управления и регулирования производят перевод точки 51, 51' эксплуатации в точку 51”, лежащую в области nmot2 чисел оборотов двигателя, причем в этой области имеется другая пороговая величина 55' требуемой мощности. Таким образом, приводной двигатель 14 может всегда эксплуатироваться в области 50 частичной нагрузки, обеспечивающей низкий расход топлива.
Для того чтобы при кратковременных пиках нагрузки избежать глушения приводного двигателя путем использования резерва мощности, пороговые величины 55 требуемой мощности лежат ниже ограничительной характеристической линии 54, предпочтительно на 20% ниже мощности Pmot двигателя, определяемой ограничительной характеристической линией 54. В зависимости от требуемой мощности Pmot двигателя, определяемой из сигналов Z требуемой мощности, уже описанный блок 45 управления и регулирования во взаимодействии с блоком 44 управления двигателем производят автоматический перевод приводного двигателя в наиболее низкую возможную область чисел оборотов двигателя. При этом уже описанным образом бесступенчатый механизм 43 поддерживает примерно постоянным выходное число nab оборотов на выходном валу трансмиссионного блока 24 по изобретению.
Для обеспечения высокого кпд передаточного механизма 25 разветвления мощности с механическими ветвями передачи мощности и вместе с тем низкого расхода топлива приводного двигателя 14 в пределах широкой области чисел nmot оборотов двигателя доля мощности, передаваемая бесступенчатым механизмом 43, уменьшается при повышении числа nmot оборотов двигателя.