СИСТЕМА ПИТАНИЯ КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при производстве и модернизации систем питания карбюраторных ДВС стационарных и мобильных машин.
Известна система питания карбюраторного ДВС мобильной машины (Ефимов С.И. Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей. Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. 3-е изд. перераб. и доп. М.: машиностроение 1985, 456 с. с 49) содержащая соединенные последовательно топливный бак, фильтр, бензонасос и установленный на впускном коллекторе ДВС карбюратор, содержащий поплавковую камеру, главную дозирующую систему, первичную и вторичную смесительные камеры с дроссельными заслонками и другие системы (холостого хода, ускорительного насоса, экономайзера принудительного холостого хода, эконостата), орган управления ДВС (например педаль «газа») выход которого соединен с управляющим входом карбюратора (приводом дроссельной заслонки) и с входом датчика положения дроссельной заслонки (например с микропереключателем системы экономайзера принудительного холостого хода), которая обеспечивает требуемое количество и состав топливовоздушной смеси, на всех эксплуатационных режимах работы и допустимых кренах мобильной машины.
Недостатком данной системы является отсутствие возможности дополнительной, оперативной коррекции состава топливовоздушной смеси на частичных нагрузочных режимах в зависимости от режима движения, крена мобильной машины, технического состояния и типа систем ДВС, что ухудшает технико-экономические показатели ДВС с такой системой питания.
Известна система питания карбюраторного ДВС мобильной машины (Акимов С.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. / Акимов С.В., Чижков Ю.П. Учебник для ВУЗов. - М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2004. - 384 с. с 153) содержащая соединенные последовательно топливный бак, фильтр, бензонасос и установленный на впускном коллекторе ДВС карбюратор, содержащий поплавковую камеру, орган управления ДВС (например педаль «газа») выход которого соединен с управляющим входом карбюратора (приводом дроссельной заслонки) и с входом датчика положения дроссельной заслонки (например с микропереключателем системы экономайзера принудительного холостого хода) при этом главный топливный жиклер карбюратора соединен с выходом электромагнитного игольчатого регулятора сечения главного топливного жиклера, а управляющий вход регулятора подключен к выходу блока управления, вход которого соединен с датчиком кислорода установленным в системе выпуска ДВС Система обеспечивает автоматическую оперативную коррекцию состава топливовоздушной смеси, обеспечивая ее стехиометрический состав (α=1) на частичных нагрузочных режимах работы ДВС путем изменения сечения главного топливного жиклера по команде блока управления получающего информацию с датчика кислорода в отработавших газах.
Недостатком системы является сложность ее адаптации на другие марки ДВС и высокая стоимость комплекта оригинального оборудования (карбюратор, блок управления, датчики)
Известно устройство (Патент №2289719 МПК F02M 5/06 опубликовано 20.12.2006) для регулирования уровня топлива в поплавковой камере карбюратора, относящееся к системе питания карбюраторного двигателя внутреннего сгорания, содержащее соединенные последовательно: топливный бак, фильтр, бензонасос, электромагнитный клапан и установленный на впускном коллекторе ДВС карбюратор, с поплавковой камерой которого связан электрический датчик уровня топлива в поплавковой камере соединенный с входом моста Уистона, выход которого связан с первым и вторым входами электромагнитного клапана,, орган управления ДВС (например педаль «газа») выход которого соединен с управляющим входом карбюратора (приводом дроссельной заслонки) и с входом датчика положения дроссельной заслонки.
Недостатком данной системы является отсутствие возможности дополнительной, оперативной коррекции состава топливовоздушной смеси на частичных нагрузочных режимах в зависимости от режима движения, крена мобильной машины, технического состояния и типа систем ДВС, что ухудшает технико-экономические показатели ДВС с такой системой питания
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является система питания карбюраторного ДВС (Журнал «За рулем», 1988. №2 - с 140), содержащая соединенные последовательно: топливный бак, фильтр, бензонасос, электромагнитный клапан и установленный на впускном коллекторе ДВС карбюратор, в поплавковой камере которого расположен электрический датчик уровня топлива связанный с поплавком, орган управления ДВС (например педаль «газа») выход которого соединен с управляющим входом карбюратора (приводом дроссельной заслонки) и с входом датчика положения дроссельной заслонки, (например с микропереключателем системы экономайзера принудительного холостого хода) усилитель, выход которого подключен к управляющему входу электромагнитного клапана.
Система позволяет повысить точность, стабильность и надежность поддержания номинального уровня топлива в поплавковой камере и соответственно состава топливовоздушной смеси на всех эксплуатационных режимах путем замены механического поплавкового регулятора электромагнитным.
Недостатком данной системы является отсутствие возможности дополнительной, оперативной коррекции состава топливовоздушной смеси на частичных нагрузочных режимах в зависимости от режима движения, крена мобильной машины, технического состояния и типа систем ДВС, что ухудшает технико-экономические показатели ДВС с такой системой питания
Заявленное изобретение направлено на устранение указанных недостатков и от его применения может быть получен следующий технический результат - снижение расхода топлива карбюраторным ДВС стационарной или мобильной машины на частичных нагрузочных режимах работ
Указанный технический результат достигается за счет того, что система питания карбюраторного ДВС, содержащая соединенные последовательно: топливный бак, фильтр, бензонасос, электромагнитный клапан и установленный на впускном коллекторе ДВС карбюратор, в поплавковой камере которого расположен электрический датчик уровня топлива связанный с поплавком, орган управления ДВС (например педаль «газа»), выход которого соединен с управляющим входом карбюратора (приводом дроссельной заслонки) и с входом датчика положения дроссельной заслонки, усилитель, выход которого подключен к управляющему входу электромагнитного клапана, дополнительно содержит блок ручного управления уровнем топлива, задатчик уровня топлива и блок сравнения сигналов, выход которого соединен с входом усилителя, а первый и второй входы подсоединены, соответственно, к выходам датчика уровня топлива и задатчика уровня топлива, при этом выход датчика положения дроссельной заслонки и выход блока ручного управления уровнем топлива соединены с управляющим входом электромагнитного клапана.
Отличительными признаками предлагаемой системы питания, от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, являются наличие блока ручного управления уровнем топлива, задатчика уровня топлива, сравнивающего органа, и соответствующих связей между известными и вновь введенными узлами и блоками.
Благодаря наличию этих признаков имеется возможность ручного выбора режима работы системы питания - штатного, с одним номинальным уровнем топлива или экономичного, двухуровневого, с пониженным или номинальным уровнем топлива в поплавковой камере (блоком ручного управления), задания оптимального, для конкретного ДВС, пониженного уровня топлива в поплавковой камере (с помощью задатчика уровня), автоматического его поддержания с помощью элементов входящих в подсистему автоматического поддержания заданного уровня в поплавковой камере (задатчик уровня топлива и сравнивающий орган - новые элементы, электромагнитный клапан, усилитель, датчик уровня топлива - известные элементы), а также автоматического, быстрого перехода с одного уровня на другой при изменении нагрузки ДВС (по команде датчика положения дроссельной заслонки).
Применение новых существенных признаков совместно с известными позволяет получить следующий технический результат - снижение расхода топлива карбюраторным ДВС стационарной или мобильной машины на частичных нагрузочных режимах работы
В варианте системы питания карбюраторного ДВС установленного на мобильной машине указанный технический результат достигается за счет того, что система питания карбюраторного ДВС, содержащая соединенные последовательно: топливный бак, фильтр, бензонасос, электромагнитный клапан и установленный на впускном коллекторе ДВС карбюратор, в поплавковой камере которого расположен электрический датчик уровня топлива связанный с поплавком, орган управления ДВС (например педаль «газа») выход которого соединен с управляющим входом карбюратора (приводом дроссельной заслонки) и с входом датчика положения дроссельной заслонки, усилитель, выход которого подключен к управляющему входу электромагнитного клапана, а также блок ручного управления уровнем топлива, задатчик уровня топлива и блок сравнения сигналов, выход которого соединен с входом усилителя, а первый и второй входы подсоединены, соответственно, к выходам датчика уровня топлива и задатчика уровня топлива, при этом выход датчика положения дроссельной заслонки и выход блока ручного управления уровнем топлива соединены с управляющим входом электромагнитного клапана дополнительно содержит датчик крена, установленный на шасси мобильной машины и датчик торможения, подключенный к тормозной системе мобильной машины, при этом выходы датчика крена и датчика торможения мобильной машины соединены с управляющим входом электромагнитного клапана.
Отличительными признаками предлагаемого варианта системы питания, от указанной выше являются наличие датчика крена мобильной машины, датчика торможения и соответствующих связей между известными и вновь введенными элементами.
Благодаря наличию этих признаков имеется возможность автоматизации работы системы питания карбюраторного ДВС мобильной машины на экономичном режиме Датчики крена мобильной машины и торможения (совместно с датчиком положения дроссельной заслонки - известный элемент) обеспечивают автоматический переход на номинальный уровень топлива в поплавковой камере при повышенных нагрузках ДВС, крене и изменении режима движения мобильной машины (разгонах, торможении) и на пониженный при работе на частичных нагрузках с равномерным прямолинейным движением мобильной машины.
Применение новых существенных признаков совместно с известными позволяет получить следующий технический результат - снижение расхода топлива карбюраторным ДВС стационарной или мобильной машины на частичных нагрузочных режимах работы
На фиг.1 показана функциональная схема системы питания карбюраторного ДВС, на фиг.2 показана функциональная схема системы питания карбюраторного ДВС мобильной машины, на фиг.3 показана упрощенная электрическая схема системы питания карбюраторного ДВС мобильной машины
Система питания карбюраторного ДВС (фиг.1) содержит соединенные последовательно топливный бак 1, фильтр 2, бензонасос 3, электромагнитный клапан 4, карбюратор 5 и ДВС 6, установленный на раме стационарной или мобильной машины (на схеме не показана), при этом в поплавковой камере карбюратора 5 расположен электрический датчик 7 уровня топлива, связанный с поплавком, орган управления ДВС 9 (например, педаль «газа»), выход которого соединен с управляющим входом карбюратора (приводом дроссельной заслонки) и с входом датчика положения дроссельной заслонки 8, усилитель 10, выход которого подключен к управляющему входу электромагнитного клапана 4 блок 11 ручного управления уровнем топлива, задатчик 12 уровня топлива и блок 13 сравнения сигналов, выход которого соединен с входом усилителя 10, а первый и второй входы подсоединены, соответственно, к выходам датчика уровня топлива 7 и задатчика уровня топлива 12, при этом выход датчика положения дроссельной заслонки 8 и выход блока 11 ручного управления уровнем топлива соединены с управляющим входом электромагнитного клапана 4.
Система питания карбюраторного ДВС мобильной машины (фиг.2) содержит соединенные последовательно топливный бак 1, фильтр 2, бензонасос 3, электромагнитный клапан 4, карбюратор 5 и ДВС 6 установленный на раме мобильной машины (на схеме не показана), при этом в поплавковой камере карбюратора 5 расположен электрический датчик 7 уровня топлива связанный с поплавком, орган управления ДВС 9 (например педаль «газа») выход которого соединен с управляющим входом карбюратора (приводом дроссельной заслонки) и с входом датчика8 положения дроссельной заслонки, усилитель 10, выход которого подключен к управляющему входу электромагнитного клапана 4 блок 11 ручного управления уровнем топлива, задатчик 12 уровня топлива и блок 13 сравнения сигналов, выход которого соединен с входом усилителя 10, а первый и второй входы подсоединены, соответственно, к выходам датчика 7 уровня топлива и задатчика 12 уровня топлива, при этом выход датчика 8 положения дроссельной заслонки и выход блока 11 ручного управления уровнем топлива соединены с управляющим входом электромагнитного клапана 4, а также датчик 14 крена, установленный на шасси мобильной машины и датчик 15 торможения, подключенный к тормозной системе мобильной машины, при этом выходы датчика 14 крена и датчика 15 торможения мобильной машины соединены с управляющим входом электромагнитного клапана 4.
Упрощенная электрическая схема системы питания карбюраторного ДВС мобильной машины (фиг.3) содержит электромагнитный клапан 4, датчик 7 уровня топлива в поплавковой камере в виде переменного резистора (реостата), датчик 8 положения дроссельной заслонки в виде переключателя, усилитель 10, в виде транзисторного эмиттерного повторителя, блок 11 ручного управления уровнем топлива, в виде переключателя - тумблера, задатчик 12 уровня топлива, в виде переменного резистора, блок 13 сравнения сигналов, в виде компаратора, датчик 14 крена, в виде переключателя, датчик 15 торможения, в виде переключателя, а также плюсовую 16 и минусовую 17 шины питания, при этом управляющий вход электромагнитного клапана 4. (первый вывод обмотки) соединен с выходом усилителя 10 (эмиттером транзистора), выходами датчиков 8.14, 15 и блока 11 ручного управления, входы которых, а также коллектор транзистора усилителя 10, плюсовой вывод питания компаратора 13, верхние выводы переменных резисторов датчика 7 и задатчика12 соединены с плюсовой шиной питания, а нижние выводы переменных резисторов датчика 7 и задатчика 12, минусовой вывод питания компаратора 13 и второй вывод обмотки электромагнитного клапана 4 соединены с минусовой шиной питания. Кроме этого выход компаратора 13 соединен с входом усилителя 10 (базой транзистора), а выходы датчика 7 и задатчика 12 (ползунки переменных резисторов) подключены к первому и второму входам компаратора соответственно
Работа заявляемой системы питания карбюраторного ДВС основана на использовании известной зависимости коэффициента избытка воздуха а топливовоздушной смеси от уровня топлива в поплавковой камере Н (Ефимов С.И. Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей. Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. 3-е изд. перераб. и доп. М.: машиностроение 1985, 456 с. с 56).
Ж
Ж
Т
Д
В
В
В
2
3
2
3
2
где Н - высота уровня топлива в поплавковой камере от оси топливных жиклеров до поверхности (напор), м, µ - коэффициент расхода топлива через жиклер, f - площадь сечения жиклера, м, ρ - плотность топлива, кг/м, Δр - перепад давления, МПа, К - коэффициент, µ - коэффициент расхода топлива через жиклер, f - площадь сечения жиклера, м, ρ - плотность воздуха, кг/м, g - ускорение свободного падения, м/с.
Согласно этой зависимости с понижением уровня топлива в поплавковой камере карбюратора относительно номинального коэффициент избытка воздуха увеличивается, то есть топливовоздушная смесь обедняется, что при прочих равных условиях, позволяет снизить расход топлива двигателем по сравнению с расходом при работе на номинальном уровне. Карбюраторы отечественных ДВС обеспечивают автоматическое увеличение коэффициента избытка воздуха топливовоздушной смеси на частичных нагрузочных режимах работы до значений, при которых обеспечивается ее бесперебойное воспламенение штатными системами зажигания, в основном контактными, с невысокой энергией искрового разряда, которыми комплектовались карбюраторные ДВС в период их разработки и последующей эксплуатации. Применяемые на современных карбюраторных ДВС мощные электронные системы зажигания (контактно-транзисторные, бесконтактные электронные и микропроцессорные) позволяют надежно поджигать более бедные смеси и одним из возможных способов получения таких смесей в серийных карбюраторах является способ изменения уровня топлива в поплавковой камере, с помощью заявляемых систем.
Работа системы питания карбюраторного ДВС стационарной машины происходит следующим образом. Для обеспечения штатного режима работы системы питания с номинальным уровнем топлива в поплавковой камере и паспортных характеристик ДВС, например при пуске, повышенных требованиях к его динамическим характеристикам переключают блок 11 ручного управления уровнем топлива (тумблер) в соответствующее положение, при этом на управляющий вход (первый вывод обмотки электромагнита) нормально-закрытого электромагнитного клапана 4 через замкнутые контакты тумблера будет постоянно поступать сигнал высокого уровня с плюсовой шины питания системы 16. Так как второй вывод обмотки электромагнитного клапана 4 соединен с минусовой шиной питания 17 через нее будет протекать ток управления, клапан откроется, и будет пропускать топливо к карбюратору, при этом в поплавковой камере карбюратора будет поддерживаться номинальный уровень топлива за счет работы штатного поплавкового механического регулятора уровня топлива.
Переход на работу системы с переменным (пониженным или номинальным) уровнем топлива в поплавковой камере карбюратора и с изменяемой характеристикой ДВС осуществляют переключением блока 11 ручного управления уровнем топлива в другое положение (выключают тумблер подающий питание на электромагнитный клапан 4 от плюсовой шины питания 16) при этом питание электромагнитного клапана 4 будет происходить от усилителя 10 и/или от датчика 8 положения дроссельной заслонки, например, контактного типа, подающего сигнал высокого уровня на электромагнитный клапан 4 с плюсовой шины 16 при нахождении дроссельной заслонки в положении соответствующем 75-100% от полностью открытого и сигнал низкого уровня при меньших углах открытия.
При работе ДВС 6 на частичном нагрузочном режиме (заслонка открыта менее 75%), выходной сигнал датчика 8 положения дроссельной заслонки будет иметь низкий нулевой уровень и управление электромагнитным клапаном 4 будет осуществляться только выходным сигналом усилителя 10.
При снижении уровня топлива в поплавковой камере карбюратора 5, вследствие его расходования ДВС до нижнего предела заданного задатчиком 12, например делителем напряжения в виде, переменного резистора, подключенного к шинам питания и второму входу блока сравнения сигналов 13 (например, компаратора), уменьшится выходной сигнал датчика 7 уровня топлива (реостатного, связанного с поплавком) поступающий на первый вход компаратора, он переключится и. подаст высокий уровень на вход усилителя 10, с выхода которого усиленный сигнал высокого уровня поступит на электромагнитный клапан 4. Электромагнитный клапан 4 откроется, и будет происходить пополнение поплавковой камеры топливом подаваемым из топливного бака 1 бензонасосом 3.
При увеличении уровня топлива, пропорционально увеличивается сигнал датчика 7 уровня топлива и при превышении заданного предела, компаратор переключится в обратном направлении, и на его выходе и, соответственно, на выходе усилителя 10 будет низкий уровень, электромагнитный клапан 4 выключится. Таким образом, будет автоматически поддерживаться заданный пониженный уровень топлива в поплавковой камере, величина которого может отражаться на шкале задатчика 12 (стрелкой на рукоятке управления переменным резистором).
При увеличении нагрузки ДВС и открытии дроссельной заслонки более чем на 75% замкнутся контакты датчика 8 положения дроссельной заслонки, и сигнал высокого уровня поступит на электромагнитный клапан 4 независимо от состояния блока 13 сравнения сигналов (компаратора), что обеспечит быстрое увеличение уровня топлива в поплавковой камер карбюратора до номинального значения за счет работы штатного поплавкового механического регулятора уровня топлива.
Работа системы питания карбюраторного ДВС мобильной машины происходит аналогично за исключением того, что при крене мобильной машины (например, автомобиля) на подъемах, спусках, поворотах, разгоне, торможении, срабатывает датчик 14 крена, например инерционного, контактного типа, подавая с плюсовой шины питания 16 высокий уровень на электромагнитный клапан 4, что обеспечивает быстрое, за доли секунды, восстановление номинального уровня топлива в поплавковой камере и паспортные характеристики ДВС6.
При плавном торможении автомобиля номинальный уровень поддерживается за счет сигнала высокого уровня с выхода датчика 15 торможения, подключенного к тормозной системе мобильной машины.
Таким образом, на данном режиме работы системы питания в поплавковой камере автоматически поддерживаются два уровня топлива - номинальный или пониженный в зависимости от нагрузочного режима работы ДВС (положения дроссельной заслонки), крена кузова автомобиля и режима движения (разгон, равномерное движение, замедление).
Для выключения системы и перехода на штатный режим работы системы питания с одним, номинальным уровнем переключают блок 11 ручного управления в исходное положение, подавая высокий уровень на электромагнитный клапан 4.
Блок 13 сравнения сигналов (компаратор) обеспечивает автоматическое сравнение сигналов аналогового датчика 7 уровня топлива 13 и задатчика 12 уровня топлива и выработку выходного сигнала управления усилителем 10 (высокого уровня при снижении уровня топлива в поплавковой камере ниже заданного задатчиком 12 и нулевого при увеличении уровня топлива в поплавковой камере выше заданного).
Задатчик 12 уровня топлива (делитель напряжения на базе переменного или подстроечного резистора) обеспечивает возможность ручного задания требуемого пониженного уровня топлива в поплавковой камере, который выбирают исходя из результатов предварительных исследований конкретного автомобиля или исходя из текущих показателей работы ДВС (мощности, приемистости, расхода топлива).
Датчик 8 положения дроссельной заслонки обеспечивает автоматическое выключение системы (подачу сигнала высокого уровня на электромагнитный клапан 4) при повышенной нагрузке ДВС и представляет собой, например, микропереключатель, кинематически связанный с приводом дроссельной заслонки первичной или вторичной камер карбюратора и замыкающий контакты при больших углах открытия заслонки первичной или при любом открытом положении заслонки вторичной камеры карбюратора.
Датчик 14 крена мобильной машины обеспечивает автоматическое выключение системы при крене шасси, а также резких маневрах, ускорениях и замедлениях автомобиля путем подачи сигнала высокого уровня на электромагнитный клапан 4. Данный датчик может быть выполнен в виде инерционного замыкателя с двумя степенями свободы в горизонтальной плоскости, например в виде металлического грузика, закрепленного на нижнем конце вертикально расположенного упругого металлического стержня, верхний конец, которого закреплен на диэлектрической крышке корпуса датчика (первый вывод датчика) при этом в плоскости качания грузика на внутренней стенке диэлектрического корпуса датчика связанного с корпусом ДВС или с шасси мобильной машины размещено металлическое контактное кольцо (второй вывод датчика) с внутренним диаметром несколько большим диаметра грузика (на 20-30%). Для гашения высокочастотных колебаний грузика внутренняя полость датчика может заполняться вязкой диэлектрической жидкостью. При крене шасси контактное кольцо будет приближаться к грузику стремящемуся вместе с стержнем сохранить вертикальное, совпадающее с направлением силы тяжести, положение и замыкать электрическую цепь датчика. При маневрах, ускорениях и замедлениях машины грузик будет отклоняться от вертикального положения под действием силы инерции и соприкасаясь с кольцом замыкать электрическую цепь.
Датчик 15 торможения обеспечивает выключение системы при торможении автомобиля, так как при пониженном уровне возможно оголение топливных жиклеров вследствие инерционного перемещения топлива к передней стенке поплавковой камеры (может использоваться штатный или дополнительный контактный датчик торможения подключенный к тормозной системе автомобиля и подающий высокий уровень на электромагнитный клапан 4 при торможении автомобиля).
Блок 11 ручного управления обеспечивает два режима работы системы питания: - штатный, с, номинальным уровнем топлива в поплавковой камере карбюратора и экономичный режим с двумя возможными уровнями топлива - номинальным или пониженным (в зависимости от нагрузочного режима ДВС, а также режима и траектории движения мобильной машины). Блок 11 ручного управления может быть выполнен в виде тумблера на передней панели блока управления системой.
Электрический датчик 7 уровня топлива в поплавковой камере аналогового типа (вместо дискретного, контактного у прототипа) обеспечивает выходной сигнал пропорциональный уровню топлива в поплавковой камере (сигнал обратной связи) и, как следствие, возможность его поддержания на любом заданном уровне заявляемой системой. Данный датчик 7 быть выполнен в виде малогабаритного реостата, ротор-ползунок которого связан с подшипниковой втулкой поплавка (по аналогии с реостатным датчиком уровня топлива в топливном баке мобильных машин).
_
Усилитель 10 усиливает сигнал компаратора по току и мощности до значений требуемых для питания электромагнитного клапана 4 (0,4-0,5 А) и может быть выполнен в виде эмиттерного повторителя на биполярном транзисторе, коллектор которого связан с положительной шиной питания, эмиттер с обмоткой электромагнитного клапана, а база с выходом компаратора.
Сравнительные моторные и дорожные испытания данной системы питания в составе автомобиля ВАЗ 2106 показали значительное (до 15-20%) сокращение часового и путевого расхода топлива при работе ДВС с пониженным уровнем топлива в поплавковой камере карбюратора на частичных нагрузочно-скоростных режимах, при одновременном уменьшении вредных выбросов в отработавших газах.