ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НЕСКОЛЬКИМИ ЦИЛИНДРАМИ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SEVERAL CYLINDERS

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания (ДВС) с несколькими цилиндрами, которые сгруппированы в по меньшей мере два ряда, согласно ограничительным частям независимых пунктов формулы изобретения.
Для уменьшения механических колебаний и вибраций прежде всего в V-образных ДВС применяют так называемый неравномерный порядок работы цилиндров. Под подобным порядком работы цилиндров подразумевается порядок их работы, при котором оба ряда цилиндров работают не попеременно с точки зрения последовательности расположения цилиндров. При таком порядке работы цилиндров, с одной стороны, два последовательных процесса воспламенения рабочей смеси происходят в одном ряду цилиндров, а с другой стороны, в этом же ряду цилиндров длиннее пауза в его работе, когда два последовательных процесса воспламенения рабочей смеси происходят в другом ряду цилиндров.
Известны применяемые в качестве систем питания бензиновых и дизельных двигателей системы "common rail" (системы впрыскивания топлива с общей топливной магистралью). В некоторых случаях в системах питания именно дизельных двигателях вместо одного насоса высокого давления целесообразно использовать два насоса высокого давления, поскольку, например, производительности одного насоса высокого давления оказывается недостаточно для покрытия всей потребности в топливе высокого давления. Сказанное относится, например, к небольшим судовым дизельным двигателям, в качестве которых после их соответствующей доработки используют дизельные двигатели конструктивного ряда, применяемого на грузовых автомобилях. Судовой дизельный двигатель имеет большую удельную мощность по сравнению с аналогичным дизельным двигателем в исполнении для грузовых автомобилей, и поэтому насос высокого давления должен обладать большей объемной подачей. С целью обеспечить несмотря на это возможность дальнейшего использования стандартных компонентов согласно уровню техники в подобном случае вместо располагаемой на удалении от двигателя системы "common rail" с одним насосом высокого давления используется система с двумя насосами высокого давления, каждый из которых покрывает потребность одного ряда цилиндров в топливе высокого давления. В другом варианте потребность обеих топливных магистралей высокого давления, соответственно обоих рядов цилиндров в топливе высокого давления, покрывается с использованием одного насоса высокого давления, имеющего по меньшей мере два гидравлически раздельных насосных элемента, каждый из которых гидравлически соединен или сообщается с одной из топливных магистралей высокого давления. Использование неравномерного порядка работы цилиндров в двигателе подобного типа может привести к нежелательным значительным колебаниям давления в обеих топливных магистралях высокого давления.
Краткое изложение сущности изобретения
В основу настоящего изобретения была положена задача предложить устройство, способ, а также компьютерную программу, которые позволили бы уменьшить колебания давления в отдельных общих топливных магистралях высокого давления.
Указанная задача решается с помощью двигателя внутреннего сгорания (ДВС), который имеет несколько цилиндров, которые сгруппированы в по меньшей мере два ряда, и который может представлять собой прежде всего V-образный ДВС, при этом в образованные цилиндрами камеры сгорания топливо может впрыскиваться топливными форсунками, каждая из которых соединена с одной из по меньшей мере двух общих топливных магистралей высокого давления, причем топливные форсунки одного ряда цилиндров соединены с разными общими топливными магистралями высокого давления. Вместо соединения топливных форсунок одного ряда цилиндров с одной общей топливной магистралью высокого давления топливные форсунки одного ряда цилиндров могут быть также соединены с разными общими топливными магистралями высокого давления.
В предпочтительном варианте ДВС имеет первый и второй ряды цилиндров, а также первую и вторую общие топливные магистрали высокого давления, при этом некоторые цилиндры первого их ряда соединены с первой общей топливной магистралью высокого давления, а некоторые цилиндры первого их ряда соединены со второй топливной магистралью высокого давления, а также некоторые цилиндры второго их ряда соединены с первой общей топливной магистралью высокого давления, а некоторые цилиндры второго их ряда соединены со второй общей топливной магистралью высокого давления. Благодаря этому при неравномерном порядке работы цилиндров обеспечивается равномерный порядок впрыскивания топлива из общих топливных магистралей высокого давления.
Указанная выше задача изобретения решается также с помощью двигателя внутреннего сгорания (ДВС), который имеет несколько цилиндров, которые сгруппированы в два ряда, прежде всего с помощью V-образного ДВС, при этом в образованные цилиндрами камеры сгорания топливо может впрыскиваться топливными форсунками, каждая из которых соединена с одной из по меньшей мере двух общих топливных магистралей высокого давления, потребность каждой из которых в топливе высокого давления покрывается собственным насосом высокого давления или раздельными насосными элементами одного насоса высокого давления, каждый из которых гидравлически соединен с одной из общих топливных магистралей высокого давления, которые гидравлически соединены между собой. Гидравлическое соединение общих топливных магистралей высокого давления обеспечивает возможность выравнивания давления между ними, благодаря чему уменьшаются колебания давления.
В гидравлическом соединении общих топливных магистралей высокого давления в предпочтительном варианте предусмотрен дроссель. Такой дроссель ограничивает расход топлива через гидравлическое соединение и гасит гидравлические колебания, обусловленные переменной разностью давлений и тем самым изменяющимся направлением потока топлива.
В одном из предпочтительных вариантов в каждую из общих топливных магистралей высокого давления топливо под высоким давлением подается одним насосом высокого давления или раздельными насосными элементами одного насоса высокого давления, каждый из которых гидравлически соединен с одной из общих топливных магистралей высокого давления, при этом давление топлива в одной общей топливной магистрали высокого давления регулируется, а давление топлива в другой общей топливной магистрали высокого давления регулируется с предварением. Благодаря этому удается уменьшить или избежать хаотичного поведения системы регулирования, которое может быть обусловлено наличием гидравлического соединения.
В еще одном предпочтительном варианте в каждую из общих топливных магистралей высокого давления топливо под высоким давлением подается одним насосом высокого давления или раздельными насосными элементами одного насоса высокого давления, каждый из которых гидравлически соединен с одной из общих топливных магистралей высокого давления, при этом давление топлива в одной общей топливной магистрали высокого давления регулируется регулятором, имеющим по меньшей мере одну пропорциональную и одну интегральную составляющие, а давление топлива в другой общей топливной магистрали высокого давления регулируется регулятором, имеющим только пропорциональную составляющую и не имеющим интегральную составляющую. Этот вариант также позволяет уменьшить или исключить указанное выше хаотичное поведение системы регулирования давления.
Указанная выше задача изобретения решается также с помощью способа управления работой двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с несколькими цилиндрами, которые сгруппированы в два ряда, прежде всего V-образного ДВС, при этом в образованные цилиндрами камеры сгорания топливо может впрыскиваться топливными форсунками, каждая из которых соединена с одной из по меньшей мере двух общих топливных магистралей высокого давления, которые гидравлически соединены между собой и в каждую из которых топливо под высоким давлением подается насосом высокого давления или раздельными насосными элементами одного насоса высокого давления, каждый из которых гидравлически соединен с одной из общих топливных магистралей высокого давления, отличающегося тем, что давление топлива в одной общей топливной магистрали высокого давления регулируют, а давление топлива в другой общей топливной магистрали высокого давления регулируют с предварением.
В предпочтительном варианте давление топлива в одной общей топливной магистрали высокого давления регулируют регулятором, имеющим по меньшей мере одну пропорциональную и одну интегральную составляющие, а давление топлива в другой общей топливной магистрали высокого давления регулируют регулятором, имеющим только пропорциональную составляющую.
Указанная выше задача изобретения решается также с помощью компьютерной программы с программным кодом для выполнения всех стадий предлагаемого в изобретении способа при ее исполнении на компьютере.
Краткое описание чертежей
Ниже настоящее изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию графические материалы, на которых показано:
на фиг.1 - схема выполненной по первому варианту системы впрыскивания топлива для ДВС,
на фиг.2 - схема, иллюстрирующая порядок впрыскивания топлива, соответственно порядок работы цилиндров ДВС с системой впрыскивания топлива, выполненной по показанному на фиг.1 варианту,
на фиг.3 - принципиальная схема, поясняющая колебания давления в общей топливной магистрали высокого давления,
на фиг.4 - схема выполненной по первому варианту системы регулирования, соответственно управления,
на фиг.5 - схема выполненной по второму варианту системы регулирования,
на фиг.6 - схема выполненной по второму варианту системы впрыскивания топлива для ДВС и
на фиг.7 - схема, иллюстрирующая порядок впрыскивания топлива, соответственно порядок работы цилиндров ДВС с системой впрыскивания топлива, выполненной по показанному на фиг.6 варианту.
Описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 в очень упрощенном виде показана схема системы впрыскивания топлива для ДВС. На этом чертеже показана упрощенная схема системы 1 впрыскивания топлива для восьмицилиндрового дизельного двигателя. В данном случае речь идет о восьмицилиндровом ДВС с V-образным расположением цилиндров, которые образуют по одному их ряду В1, соответственно В2. Сами цилиндры, поршни, выпускные клапаны и иные детали ДВС на приведенной на фиг.1 схеме не показаны, а вместо этого условно показаны только относящиеся к каждому конкретному цилиндру топливные форсунки, обозначенные позициями I1-I8. Топливные форсунки I1-I4 относятся к первому ряду В1 цилиндров, а топливные форсунки I5-I8 относятся ко второму ряду В2 цилиндров. Каждая топливная форсунка I1-I8 имеет по распылителю, электрически открываемому и закрываемому пьезоэлектрическим или электромагнитным приводом. Электрическим открытием и закрытием распылителей топливных форсунок I1-I8 электрически управляют блоки управления, которые обозначены на схеме как S1 и S2. Топливными форсунками I1-I4 управляет блок S1 управления, а топливными форсунками I5-I8 - блок S2 управления. Каждая топливная форсунка подсоединена к одной из общих топливных магистралей R1, соответственно R2 высокого давления, которые известны как таковые. К топливной магистрали R1 высокого давления подсоединены топливные форсунки I1-I4, а к топливной магистрали R2 высокого давления подсоединены топливные форсунки I5-I8. Высокое давление топлива в топливной магистрали R1 высокого давления создается и поддерживается насосом Р1 высокого давления, а в топливной магистрали R2 высокого давления - насосом Р2 высокого давления. Подача топлива в насосы Р1 и Р2 высокого давления может осуществляться либо раздельными насосами низкого давления, либо одним насосом низкого давления. Эти и другие элементы системы питания, такие как фильтры, клапаны и иные элементы, как таковые известны для системы "common rail" и на схеме не показаны. В данном случае, таким образом, предусмотрены две независимые друг от друга системы "common rail", по одной для каждого ряда цилиндров. Один из блоков управления работает при этом как главный (ведущий) блок управления, а другой блок - как ведомый (подчиненный) блок управления. В другом варианте управление может также осуществляться одним общим блоком управления. Давление в топливной магистрали R1 высокого давления измеряется первым датчиком RDS1 давления, выходной сигнал которого подается в блок S1 управления, а давление в топливной магистрали R2 высокого давления измеряется соответственно вторым датчиком RDS2 давления, выходной сигнал которого подается в блок S2 управления. Топливные магистрали R1 и R2 высокого давления гидравлически соединены, соответственно сообщаются между собой через соединительный топливопровод 2. В этом соединительном топливопроводе 2 расположен дроссель 3. Дроссель может представлять собой, как показано на фиг.1, дроссельный клапан с постоянным сужением, но может также представлять собой дроссельный клапан с регулируемым проходным сечением. В последнем случае целесообразно использовать электромеханическое регулирование под управлением, например, одного из блоков S1 или S2 управления либо отдельной системы управления.
На фиг.2 показана схема, иллюстрирующая порядок работы цилиндров изображенного на фиг.1 восьмицилиндрового ДВС, соответственно порядок впрыскивания в него топлива. На этой схеме порядок работы цилиндров (ZR) представлен в зависимости от угла поворота коленчатого вала (УПКВ) φ в интервале от 0 до 720°. Над осью, на которой отложен угол поворота коленчатого вала, указан порядок работы цилиндров, ряды которых для наглядности графически представлены друг над другом. В данном случае порядок работы цилиндров следующий: 1, 5, 7, 2, 6, 3, 4, 8. Из приведенной на чертеже схемы с условным изображением отдельных рядов цилиндров со всей очевидностью следует, что, например, цилиндры 5 и 7 в ряду В2 и цилиндры 3 и 4 в ряду В1 работают последовательно с относительно коротким интервалом, составляющим 1/n×720° УПКВ (где n обозначает количество цилиндров), и поэтому топливо в них последовательно впрыскивается со столь же коротким интервалом.
На фиг.3 показана принципиальная схема, поясняющая колебания давления PR в обоих топливных магистралях R1, соответственно R2 высокого давления на примере топливной магистрали R1 высокого давления. Как следует из приведенной на фиг.2 схемы, между, например, процессами впрыскивания топлива в цилиндры 1 и 2, а тем самым и между процессами воспламенения в них рабочей смеси имеется сравнительно длительная пауза, составляющая 2/n×720° (где n обозначает количество цилиндров), тогда как между двумя непосредственно следующими друг за другом процессами впрыскивания топлива в цилиндры 3 и 4 и воспламенения в них рабочей смеси имеется сравнительно короткая пауза, составляющая 1/n×720° УПКВ (где n обозначает количество цилиндров). В отсутствие дополнительных мер столь значительно различающиеся по своей продолжительности паузы между двумя процессами впрыскивания приводят к тому, что в результате непрерывной подачи топлива насосом высокого давления в течение относительно длительной паузы между процессами впрыскивания топлива, например между процессами впрыскивания топлива в цилиндры 1 и 2, происходит возрастание давления, а при относительно короткой паузе между двумя процессами впрыскивания топлива, например между процессами впрыскивания топлива в цилиндры 3 и 4, происходит падение давления, что условно обозначено линией PR. Соединительный же топливопровод 2 между обеими топливными магистралями R1 и R2 высокого давления обеспечивает сглаживание колебаний давления в обеих топливных магистралях R1 и R2 высокого давления. При этом возникающие колебания давления в результате перетекания топлива из одной топливной магистрали высокого давления в другую и обратно уменьшаются дросселем 3.
Поскольку топливные магистрали R1 и R2 высокого давления гидравлически соединены между собой, имеет место взаимное влияние ранее работавших независимо друг от друга контуров регулирования давления в топливных магистралях высокого давления, что может привести к непредсказуемому и даже хаотичному поведению системы. Воспрепятствовать подобному поведению системы можно путем принятия двух различных мер, рассмотренных ниже.
Одна из таких мер заключается в том, что одним из насосов высокого давления можно управлять с использованием разомкнутого контура регулирования (т.е. разомкнутой системы управления), а другим насосом высокого давления можно и далее управлять с использованием замкнутого контура регулирования. Управление насосом высокого давления с использованием разомкнутого контура регулирования осуществляется в соответствии с многопараметровой (универсальной) характеристикой регулирования с предварением, сохраняемой в памяти блока управления. На фиг.4 показана схема системы такого регулирования, соответственно управления. В верхней части на фиг.4 показан контур регулирования давления в топливной магистрали R1 высокого давления, имеющий регулятор RG1, с выхода которого выдается управляющее воздействие для насоса Р1 высокого давления. На выходе насоса Р1 высокого давления создается давление PR1, под которым топливо подается в соответствующую топливную магистраль высокого давления и которое измеряется датчиком RDS1 давления, с выхода которого измеренное значение давления подается в виде электрического сигнала с отрицательным знаком на вычитатель, включенный в цепь перед входом регулятора RG1. На другой вход вычитателя в качестве задающего воздействия с положительным знаком подается заданное значение давления P1_S в соответствующей топливной магистрали высокого давления. В этом отношении речь идет о классическом контуре регулирования. Топливная магистраль R2 высокого давления не имеет собственного контура регулирования, а вместо этого управление такой топливной магистралью осуществляется на основании заданного для нее значения PR2_S давления системой S2 управления, которая определяет управляющее воздействие для насоса Р2 высокого давления на основании многопараметровой характеристики.
Другая мера заключается в том, что можно регулировать давление PR1, соответственно PR2 в обеих топливных магистралях R1 и R2 высокого давления, как это проиллюстрировано на фиг.5. Оба контура регулирования имеют поэтому такое же исполнение, что и показанный на фиг.4 контур регулирования давления в топливной магистрали R1 высокого давления. В показанном на фиг.5 варианте регулятор RG1 в контуре регулирования давления в топливной магистрали R1 высокого давления представляет собой регулятор с пропорциональной составляющей и интегральной составляющей, т.е. пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор). Регулятор в контуре регулирования давления в топливной магистрали R2 высокого давления, обозначенный на фиг.5 как RG2, имеет только пропорциональную составляющую, т.е. представляет собой исключительно пропорциональный регулятор. Пропорциональная составляющая может быстро динамически реагировать на существующие рассогласования (отклонения регулируемой величины от заданного значения). Интегральная составляющая с временной задержкой реагирует также на малые отклонения от заданного значения.
На фиг.6 схематично показана выполненная по другому варианту система впрыскивания топлива для ДВС с несколькими цилиндрами. Приведенная на этом чертеже схема в основном соответствует показанной на фиг.1 схеме. Соответственно одинаковые в обоих вариантах узлы и элементы обозначены одинаковыми позициями. В отличие от показанного на фиг.1 варианта в данном случае отсутствует гидравлическое соединение между обеими топливными магистралями R1 и R2 высокого давления. Вместо соединения топливных форсунок, относящихся к ряду В1 цилиндров, с топливной магистралью R1 высокого давления и соединения топливных форсунок, относящихся к ряду В2 цилиндров, с топливной магистралью R2 используется иная схема соединения топливных форсунок с топливными магистралями высокого давления. Топливные форсунки, относящиеся к ряду В1 цилиндров, т.е. топливные форсунки I1, I2, I3 и I4, более не соединены с топливной магистралью R1 высокого давления, а вместо этого в конкретном примере указанного выше порядка работы цилиндров 1, 5, 7, 2, 6, 3, 4, 8 топливные форсунки I1 и 14 соединены с топливной магистралью R1 высокого давления, а топливные форсунки I2 и I3 соединены с топливной магистралью R2 высокого давления. Соответственно топливные форсунки I5 и I8, относящиеся ко второму ряду В2 цилиндров, соединены с топливной магистралью R2 высокого давления, а топливные форсунки I6 и I7, относящиеся ко второму ряду В2 цилиндров, соединены с топливной магистралью R1 высокого давления. Воспрепятствовать альтернативному, также неравномерному порядку работы цилиндров согласно изобретению можно путем альтернативного, приемлемого соединения топливных форсунок с топливными магистралями R1 или R2 высокого давления. На фиг.7 показана аналогичная приведенной на фиг.2 схема, иллюстрирующая порядок впрыскивания топлива. Тогда как в показанном на фиг.2 варианте соотнесение ряда В1 цилиндров с топливной магистралью R1 высокого давления идентично соотнесению ряда В2 цилиндров с топливной магистралью R2 высокого давления, в показанном на фиг.7 варианте такое соотнесение не идентично, а вместо этого в данном случае рассматриваются только топливные магистрали R1 и R2 высокого давления. К топливной магистрали R1 высокого давления относятся цилиндры 1, 4, 6, 7, а к топливной магистрали R2 высокого давления относятся цилиндры 2, 3, 5, 8. Как следует из приведенной на фиг.7 схемы, процессы воспламенения рабочей смеси, а тем самым и процессы впрыскивания топлива происходят в чередующемся порядке с попеременной подачей топлива из одной и другой топливных магистралей R1, соответственно R2 высокого давления, и поэтому в данном случае в отличие от показанного на фиг.1 варианта не возникают различающиеся по своей продолжительности паузы между последовательными процессами впрыскиваниями топлива.