Устройство для регулирования коэффициента избытка воздуха в двигателе внутреннего сгорания

Полезная модель относится к области двигателестроения, в частности к системам воздухоснабжения транспортных ДВС. Заявляемое устройство решает задачу создания устройства для регулирования коэффициент избытка воздуха во время эксплуатации транспортного дизеля на переменных нагрузках, особенно при работе дизеля на режимах частичных нагрузок и холостого хода. Для решения этой задачи разработано устройство, основными элементами которого являются, воздушная заслонка, датчики нагрузки и расхода воздуха, задатчик программы, микроЭВМ, электрический исполнительный механизм, подключенный к воздушной заслонке. Во время работы дизеля сигналы от датчиков нагрузки, расхода воздуха и задатчика поступают в микроЭВМ, где сигналы обрабатываются. Обработанный сигнал погрешности через цифроаналоговый преобразователь поступает в электрический исполнительный механизм, который в зависимости от нагрузки открывает или закрывает воздушную заслонку и в дизель подается требуемое количество воздуха. Таким образом, данное устройство позволяет осуществить программное дросселирование воздушного заряда на входе в цилиндр дизельного двигателя. При этом сохраняется постоянным коэффициент избытка воздуха (), и обеспечивается оптимальный рабочий процесс на режимах частичных нагрузок и холостого хода, стабилизируется температурный режим и улучшается эксплуатационные и экологические характеристики дизеля и, в первую очередь дымность и выброс твердых частиц.

Полезная модель относится к устройствам для обеспечения оптимального воздухоснабжения, в частности для регулирования коэффициента избытка воздуха и может быть использована в системах управления ДВС.

Сгорание с теоретически необходимым количеством воздуха является частным случаем сгорания. В зависимости от способа регулирования мощности, условий работы дизеля (различные скоростные и нагрузочные режимы), способа смесеобразования и условий сгорания топлива и воздуха, находящегося в цилиндре дизельного двигателя, может изменяться.

Количество воздуха, находящегося в цилиндре, может быть больше или меньше стехиометрического количества воздуха, и оценивается коэффициентом избытка воздуха ().

При =1 в действительном процессе сгорания все топливо обычно не может быть сожжено до конечных продуктов окисления. Полное сгорание топлива практически возможно только при 1.

Как показывает, анализ работы дизелей индикаторный КПД увеличивается с ростом . Кроме того, с увеличением теплоемкость рабочего тела понижается, и соответственно уменьшаются потери теплоты. Однако при больших значениях (>4) [3, стр.235], как показывает эксперименты индикаторный КПД начинает уменьшаться, что связано с ростом потерь при сгорании.

Транспортные и автотракторные дизельные двигатели обеспечивают работу дизельного двигателя на требуемых эксплуатационных скоростных режимах. Однако при эксплуатации этих дизельных двигателей не рекомендуется длительное время работать на режимах холостого хода.

В еще большей степени неблагоприятна длительная эксплуатация дизельных двигателей на режимах с частичной нагрузкой. На указанных режимах коэффициент избытка воздуха изменяется от 1,4 до 10, т.е. имеет обеднение горючей смеси [2].

Повышенные значения а на частичных нагрузках не позволяют организовать качественное смесеобразование, и обеспечить высокую эффективность процесса сгорания. Как показывает практика эксплуатации дизельных двигателей, длительная работа в этом диапазоне нагрузок приводит к нарушениям теплового состояния дизельного двигателя, и

как следствие, снижения ресурса дизельного двигателя. Поэтому на режимах частичных нагрузок и холостого хода целесообразно организовать такой рабочий процесс в цилиндрах дизельного двигателя, который бы на всех режимах внешней нагрузки, при которой изменялся в пределах =1,8÷2,2. Такой рабочий процесс в цилиндрах можно реализовать путем изменения расхода воздуха в соответствии с изменением количества подачи топлива.

Таким образом, для сохранения оптимального рабочего процесса дизельного двигателя на режимах с частичными внешними нагрузками и холостого хода а необходимо поддерживать неизменным.

Известен способ определения циклового массового наполнения воздухом рабочей камеры ДВС [1]. По этому способу сначала определяют газодинамические элементы, из которых состоит газовоздушный тракт ДВС. После этого с помощью датчиков определяют условия окружающей среды, затем с помощью датчиков определяют параметры работы ДВС, после чего по функции расхода воздуха рассчитывают массовый расход воздуха через впускной клапан и получают цикловое массовое наполнение воздухом рабочей камеры. Затем составляется набор моделей элементов, из которых составляют модель ДВС, при этом в набор моделей элементов включается элемент «емкость со сгоранием» для расчета процессов сгорания и газообмена. Во впускном и выпускном трубопроводах определяется давление, и с помощью датчика температуры определяют температурное состояние ДВС.

Данный способ имеет, сложную конструкцию и отсутствует алгоритм определения потребности воздуха на режимах холостого и частичных нагрузок.

Наиболее близким техническим решением является «Устройство для дросселирования воздушного заряда дизель-генератора» [2, стр.138]. Данное устройство содержит дроссельную заслонку, электрический исполнительный механизм, дизель-генератор, блок управления электрическим генератором, блок-процессор управления исполнительным механизмом привода воздушной заслонки.

Данное устройство в зависимости от внешней нагрузки на зажимах генератора воздушный заряд дросселируется воздушной заслонкой, которая приводится в движение электрическим исполнительным механизмом. Дросселирование воздушной заслонки зависит от величины тока нагрузки, не от мощности нагрузки дизель-генератора. В результате при нагрузке с cos<1,0 не совсем определяется нагрузка. Кроме того, данное устройство не может быть использовано на дизельных двигателях транспортных средств, например на судовых дизельных двигателях: портовых буксиров, толкачей, промысловых судов и т.п.

Работа вышеназванных судов в условиях эксплуатации дизельных двигателей характеризуется, частыми сменами режимов и соответственно как уже было, отмечено выше а будет изменяться, в пределах от 1,4 до 10, т.е. имеет место обеднение горючей смеси.

Заявляемое устройство решает задачу создания устройства для регулирования коэффициента избытка воздуха при работе транспортного дизельного двигателя на режимах частичных нагрузок и холостого хода.

Техническим результатом при этом является создание устройства с оптимальным коэффициентом избытка воздуха, например =1,8÷2,2, т.е. обеспечивает на режимах частичных нагрузок и холостого хода стабилизацию а, что позволяет также стабилизировать температуру отработавших газов, удельный индикаторный и эффективный расходы топлива, в особенности на режимах частичных нагрузок и холостого хода. Улучшаются как эксплуатационные, так и экологические характеристики дизеля, в первую очередь дымность и выброс твердых частиц.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для регулирования коэффициента избытка воздуха в двигателе внутреннего сгорания, содержащем воздушную заслонку, электрический исполнительный механизм, связанный с воздушной заслонкой; микроЭВМ дополнительно содержит датчики нагрузки и расхода воздуха, установленными на дизельном двигателе и впускном трубопроводе; задатчик программы, компенсирующий, регулирующий узлы и узел сравнения - суммирования, вход которого соединен с датчиками нагрузки, расхода воздуха и задатчиком, выход - через регулирующий узел и цифроаналоговый преобразователь подключен к электрическому исполнительному механизму.

На фиг.1 представлена схема устройства для регулирования коэффициента избытка воздуха в ДВС. Устройство для регулирования коэффициента избытка воздуха (см. фиг.1) содержит дизель 1; впускной трубопровод 2; датчики нагрузки 3 и расхода воздуха 4; электрический исполнительный механизм 5; механическую связь 6; воздушную заслонку 7; аналого-цифровые преобразователи 8, 9; микроЭВМ 10; узлы: компенсирующий 11, сравнения-суммирования 12 и регулирующий 13; цифроаналоговый преобразователь 14, задатчик программы 15; каналы подачи сигналов 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24.

Основными элементами предлагаемого устройства являются датчики 3, 4, микро ЭВМ 10, электрический исполнительный механизм 5 и воздушная заслонка 7.

Электрический исполнительный механизм 5 постоянной скорости соединен механически с заслонкой 7 и может находиться только в трех установившихся состояниях:

вращение выходного вала с постоянной скоростью S, неподвижность, вращение выходного вала в обратную сторону с постоянной скоростью - S. Датчик нагрузки 3 установлен на дизеле 1, например, на рейке топливного насоса и формирует сигнал нагрузки. Датчик расхода воздуха 4 установлен на впускном трубопроводе 2 и определяет расход воздуха через дизель. При работе дизеля датчик нагрузки 3 формирует аналоговый сигнал U_H, а датчик расхода воздуха 4 - U_в в аналоговой форме.

Для передачи этих сигналов они должны соответствующим образом преобразовываться. С этой целью в структуру устройства включаются аналого-цифровые преобразователи 8, 9, преобразующие аналоговые сигналы U_H, U_в в дискретные Y, X.

В задатчике программы 15 закладывается требуемый расход воздуха на переменных нагрузках дизеля.

Представленная на фиг.1 схема устройства для регулирования коэффициента избытка воздуха ДВС работает следующим образом. После запуска дизельного двигателя непрерывный аналоговый сигнал U _в от датчика расхода воздуха 4 по каналу 19 подается в аналого-цифровой преобразователь 9. В АЦП 9 непрерывный сигнал подвергается квантованию по времени с шагом t, т.е. сигнал получает определенные значения только в моменты 0, t, 2t, ..., nt,... Таким образом, непрерывный сигнал, полученный от датчика расхода воздуха, например U_в(t) преобразуется в дискретный X(t). Одновременно происходит квантование сигнала по уровню путем округления дискретного сигнала X(t) до стандартного ближайшего уровня. Полученный таким образом сигнал X(t) представляет собой последовательность цифровых двоичных кодов, которые в дискретные моменты времени по каналу 20 передаются в микроЭВМ 10.

Одновременно непрерывный аналоговый сигнал U_H от датчика нагрузки 3 по каналу 16 подается в аналого-цифровой преобразователь 8, который аналогично сигналу U_в преобразуется в дискретный сигнал 7 и по каналу 17 подается в микроЭВМ 10. МикроЭВМ 10 со своим программным обеспечением реализует функции управления с помощью компенсирующего, регулирующего узлов 11, 13 и узла сравнения 12.

Сигнал нагрузки Y, поступающий на компенсирующий узел 11, преобразуется в соответствии с заданным законом Y(t) и по каналу 18 поступает на узел сравнения - суммирования 12. В то же время от задатчика программы 15 сигнал U₃ по каналу 22 поступает на узел сравнения - суммирования 12. В соответствии с сигналами от указанных датчиков 4, 3 и заложенными в задатчике программы 15 в узле сравнения - суммирования 12 определяется требуемый расход воздуха. Этот расход воздуха выражается в виде сигнала е и по каналу 21 поступает в регулирующий узел 13. По этому сигналу е регулирующий узел 13 вырабатывает дискретный сигнал погрешности. На

основании сигнала погрешности в каждый тактовый момент времени в соответствии с выбранным законом регулирования вычисляется дискретный регулируемый сигнал R, который по каналу 23 подается в цифро-аналоговый преобразователь 14. В цифро-аналоговом преобразователе 14 сигнал преобразуется в аналоговый ступенчатый сигнал управления U_y. Этот сигнал по каналу 24 поступает в электрический исполнительный механизм 5, который в зависимости от знака сигнала приводится в действие. При этом в зависимости от нагрузки происходит открытие или закрытие воздушной заслонки 7 и достигается подача требуемого воздуха по впускному трубопроводу 2 в дизель 1.

Таким образом, данное устройство позволяет осуществить программное дросселирование воздушного заряда на входе в цилиндр, что обеспечивает при работе дизельного двигателя на режимах малых нагрузок и холостого хода изменять давление конца сжатия в соответствии с внешней нагрузкой без изменения конструкции дизельного двигателя. При этом сохраняется постоянным коэффициент избытка воздуха постоянным в заданных пределах, например =1,8÷2,2 и обеспечивается оптимальный рабочий процесс на режимах частичных нагрузок и холостого хода, стабилизируется температурный режим и улучшается эксплуатационные и экологические характеристики дизельного двигателя и, в первую очередь дымность и выброс твердых частиц.

Источники информации

1. Патент 2182324. Россия, G01M 15/00, F02D 41/18. Способ определения циклового массового наполнения воздухом рабочей камеры двигателя внутреннего сгорания / Б.П.Рудой, С.Г.Утляков; Опубл. 10.05.2002.

2. Поликер Б.Е., Михальский Л.Л., Марков В.А., Васильев В.К., Буханец Д.И. Дизельные двигатели для электроагрегатов и электростанций / Под ред. Б.Е.Поликера. _ М.: Легион-Авто дата, 2006. - 328 с, ил.

3. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» /Д.Н.Вырубов, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. -: М: Машиностроение, 1983. - 372 с, ил.

Устройство для регулирования коэффициента избытка воздуха в двигателе внутреннего сгорания, содержащем воздушную заслонку, электрический исполнительный механизм, связанный с воздушной заслонкой; микроЭВМ, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит датчики нагрузки и расхода воздуха, установленными на дизельном двигателе и впускном трубопроводе; задатчик программы; компенсирующий, регулирующий узлы и узел сравнения - суммирования, вход которого соединен с датчиками нагрузки, расхода воздуха и задатчиком программы, выход - через регулирующий узел и цифроаналоговый преобразователь подключен к электрическому исполнительному механизму.