RU2135802C1 - Piston internal combustion engine power control method - Google Patents

Abstract

FIELD: transport engineering; automobile internal combustion engines. SUBSTANCE: frequency of cycles in engine cylinders is changed depending on change in load. Engine shaft rotational speed is chosen from frequency band at which fuel consumption is minimum. Mass of fuel delivered into cylinder is not changed within control range from idling to power at which cycle frequency is maximum. Number of working cycles required for needed power output is distributed between engine cylinders to provided minimum temperature difference between cylinders. EFFECT: enhanced power control. 4 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано преимущественно в автомобильных двигателях внутреннего сгорания /ДВС/, поршни которых имеют механическую связь с валом отбора мощности. The present invention relates to the field of engine building and can be used mainly in automotive internal combustion engines / internal combustion engines /, the pistons of which are mechanically connected to the power take-off shaft.

Известны способы регулирования мощности поршневых ДВС, в цилиндрах которых выполняются рабочие циклы с частотой, задаваемой валом отбора мощности. Основным недостатком их является снижение экономичности двигателей на режимах частичных нагрузок вследствие ухудшения условий смесеобразования и сгорания топлива. Known methods for controlling the power of piston ICEs, in the cylinders of which work cycles are carried out with a frequency specified by the power take-off shaft. Their main disadvantage is a decrease in the efficiency of engines at partial load conditions due to the deterioration of the conditions of mixture formation and fuel combustion.

Известен способ регулирования мощности поршневого ДВС, в цилиндре которого осуществляются рабочие циклы с частотой, задаваемой валом отбора мощности, путем изменения массы сжигаемого топлива для поддержания постоянной частоты вращения вала двигателя в зависимости от нагрузки /см. Орлин А.С. и др. , "Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей", Москва, Машиностроение, 1980, стр. 41-43/. Используемые в способе качественное или количественное регулирование обеспечивают ограниченные пределы изменения мощности и недостаточно экономичны. Последнее в значительной мере вызвано непостоянством частоты вращения вала двигателя, т.к. упомянутое "поддержание постоянной частоты вращения" осуществляется для любой частоты рабочего диапазона. А этот диапазон у современного ДВС весьма широк. Так, например, число оборотов вала двигателя ВАЗ 2106 изменяется при эксплуатации от 1000 до 5500 в минуту. При этом минимальный удельный расход топлива достигается при работе двигателя примерно в середине указанного диапазона, в сравнительно узкой зоне от 3000 до 4500 об/мин. Между тем двигатель автомобиля обычно работает именно за пределами указанной "экономичной" зоны преимущественно на более низких оборотах. Кроме того, используемое в способе регулирование изменением подачи горючей смеси или топлива препятствует созданию и сохранению оптимальных условий для сгорания топлива, а следовательно, не позволяет достичь должной экономичности. Поэтому для достижения минимального расхода топлива двигатель должен работать преимущественно на постоянной частоте в "экономичной" зоне характеристики при минимальных колебаниях подачи топлива. A known method of controlling the power of a piston internal combustion engine, in the cylinder of which operating cycles are carried out with a frequency specified by the power take-off shaft, by changing the mass of fuel burned to maintain a constant engine shaft speed depending on the load / cm Orlin A.S. et al., “Internal Combustion Engines. Design and Operation of Piston and Combined Engines,” Moscow, Mechanical Engineering, 1980, pp. 41-43 /. The qualitative or quantitative control used in the method provides limited limits of power change and is not economical enough. The latter is largely caused by the inconsistency of the engine speed, as the said "maintaining a constant speed" is carried out for any frequency of the operating range. And this range in modern ICE is very wide. So, for example, the number of revolutions of the engine shaft of the VAZ 2106 varies during operation from 1000 to 5500 per minute. In this case, the minimum specific fuel consumption is achieved when the engine is operating in the middle of the specified range, in a relatively narrow area from 3000 to 4500 rpm. Meanwhile, the car’s engine usually works just outside the specified “economical” zone, mainly at lower speeds. In addition, the control used in the method by changing the supply of the combustible mixture or fuel prevents the creation and maintenance of optimal conditions for the combustion of fuel, and therefore does not allow to achieve the proper economy. Therefore, to achieve minimum fuel consumption, the engine should work mainly at a constant frequency in the “economical” area of the characteristic with minimal fluctuations in fuel supply.

Для решения этой задачи в известном способе регулирования мощности поршневого ДВС, в цилиндре которого осуществляются рабочие циклы с частотой, задаваемой валом отбора мощности, путем изменения массы сжигаемого топлива для поддержания постоянной частоты вращения вала независимо от нагрузки, в соответствии с изменением нагрузки изменяют частоту выполненных рабочих циклов, а частоту вращения вала выбирают из полосы частот, при которых двигатель имеет минимальный удельный расход топлива. Мощность двигателя пропорциональна частоте вращения его вала и, следовательно, частоте рабочих циклов. При постоянной частоте вращения вала выполняется постоянное число рабочих циклов и двигатель развивает определенную мощность, равную мощности внешней нагрузки. Если последняя уменьшится, например, в 2 раза, то, для сохранения частоты вращения вала, необходимо также в 2 раза уменьшить частоту выполненных рабочих циклов, т.е. не выполнять /"пропускать"/ каждый второй цикл. С этой целью во время каждого второго цикла необходимо предотвращать поступление топлива в цилиндр. Этим мощность двигателя будет приведена в соответствие с нагрузкой и сохранятся прежние обороты при неизменной величине заряда цилиндра в каждом выполненном рабочем цикле. "Пропуская" подобным образом определенное число рабочих циклов /2, 3, 4...10.../, необходимое для сохранения частоты вращения, тем самым изменяют частоту выполненных двигателем рабочих циклов в соответствии с изменением нагрузки. Так изменяют мощность от минимальной /при холостом ходе, когда число пропусков наибольшее/ до максимальной /пропусков нет/ при выбранной постоянной частоте. To solve this problem, in the known method of controlling the power of a piston internal combustion engine, in the cylinder of which work cycles are carried out with a frequency specified by the power take-off shaft, by changing the mass of fuel burned to maintain a constant shaft speed regardless of the load, the frequency of the workers cycles, and the shaft speed is selected from the frequency band at which the engine has a minimum specific fuel consumption. Engine power is proportional to the frequency of rotation of its shaft and, therefore, the frequency of duty cycles. At a constant shaft speed, a constant number of duty cycles is performed and the engine develops a certain power equal to the power of the external load. If the latter decreases, for example, by 2 times, then, in order to maintain the shaft rotation frequency, it is also necessary to reduce the frequency of the performed work cycles by 2 times, i.e. do not run / skip every second cycle. To this end, during every second cycle it is necessary to prevent the flow of fuel into the cylinder. This will bring the engine power in accordance with the load and maintain the same speed at a constant value of the cylinder charge in each completed duty cycle. By “skipping” in a similar way a certain number of duty cycles / 2, 3, 4 ... 10 ... /, necessary to maintain the speed, thereby changing the frequency of the duty cycles performed by the engine in accordance with the change in load. Thus, the power is changed from the minimum / at idle, when the number of passes is greatest / to the maximum / there are no passes / at the selected constant frequency.

В предложенном способе частоту вращения вала выбирают наибольшей из полосы частот при которых двигатель имеет минимальный удельный расход топлива. Это позволяет расширить диапазон регулирования и значительно увеличить скорость изменения мощности /не мешает инерция движущихся деталей двигателя и питающего его воздуха, т.к. частота вращения вала не изменяется/. In the proposed method, the rotational speed of the shaft is selected the largest of the frequency band at which the engine has a minimum specific fuel consumption. This allows you to expand the control range and significantly increase the rate of change of power / the inertia of the moving parts of the engine and the air supplying it does not interfere, because shaft speed does not change.

Другое отличие состоит в том, что в диапазоне регулирования от мощности холостого хода до мощности, при которой частота выполненных рабочих циклов наибольшая, массу подаваемого в цилиндр топлива не изменяют. Этим создаются и поддерживаются оптимальные условия для хорошего сгорания топлива и минимальной токсичности выхлопа. Another difference is that in the control range from idle power to power at which the frequency of the completed work cycles is greatest, the mass of fuel supplied to the cylinder does not change. This creates and maintains optimal conditions for good fuel combustion and minimal exhaust toxicity.

Отличается способ и тем, что необходимое для получения требуемой мощности число выполненных рабочих циклов распределяют между цилиндрами двигателя таким образом, чтобы обеспечить минимальную разницу их температур. Это способствует стабилизации условий сгорания топлива и, кроме того, позволяет двигателю быть в постоянной готовности к работе на номинальной мощности. The method also differs in that the number of completed work cycles necessary to obtain the required power is distributed between the engine cylinders in such a way as to ensure a minimum difference in their temperatures. This helps to stabilize the combustion conditions of the fuel and, in addition, allows the engine to be in constant readiness to work at rated power.

Следует отметить, что предложенный способ, кроме повышения экономичности, существенно улучшает динамику двигателя, т.к., особенно при высокой рабочей частоте, дает возможность практически мгновенно изменять мощность в диапазоне регулирования /т.е. пока частота вращения вала постоянна/. It should be noted that the proposed method, in addition to increasing efficiency, significantly improves the dynamics of the engine, because, especially at a high operating frequency, it makes it possible to almost instantly change power in the control range / i.e. while the shaft speed is constant.

В предложенном способе двигатель работает на более высоких оборотах, чем обычно /для упомянутого двигателя ВАЗ-2106 постоянное число оборотов может быть выбрано 4500 в минуту - более чем в 4 раза выше обычных оборотов холостого хода/, а это позволит выполнить двигатель более легким, компактным и динамичным. In the proposed method, the engine runs at higher speeds than usual / for the mentioned VAZ-2106 engine a constant number of revolutions can be selected 4,500 per minute - more than 4 times higher than normal idle speed /, and this will allow the engine to be made lighter, more compact and dynamic.

Постоянная величина заряда в диапазоне регулирования дает возможность упростить систему дозирования топлива. A constant charge in the control range makes it possible to simplify the fuel metering system.

Реализующий способ двигатель с внешним смесеобразованием не нуждается в дроссельной заслонке и поэтому, за счет лучшего наполнения цилиндров, имеет более высокую мощность. The engine with external mixture formation that implements the method does not need a throttle valve and therefore, due to the better filling of the cylinders, has a higher power.

Отказ от использования количественного и качественного регулирования позволит заменить громоздкий механический привод управления более легким, компактным и бесшумным электрическим, дающим, кроме того, новые возможности для автоматизации управления. The refusal to use quantitative and qualitative regulation will make it possible to replace the bulky mechanical control drive with a lighter, more compact and quieter electric drive, which, in addition, provides new opportunities for control automation.

Способ поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема одного из возможных вариантов устройства для регулирования мощности, например, 4-цилиндрового дизельного двигателя. The method is illustrated in the drawing, which shows a structural diagram of one of the possible options for a device for regulating power, for example, a 4-cylinder diesel engine.

На чертеже показан цилиндр 1 двигателя с поршнем 2, впускным клапаном 3, выпускным клапаном 4 и форсункой 5, имеющей в нагнетательной полости перепускной клапан с электромагнитным приводом. Клапаны цилиндра взаимодействуют, как и обычно, с кулачками распределительного вала /не показан/, несущего два электрически не связанных контакта 6 и 7. Контакт 6 соединен с полюсом источника тока /не показан/ и, при вращении, поочередно соприкасается с неподвижными контактами, расположенными по окружности в порядке срабатывания цилиндров, например I-III-IV-II. Каждый из контактов, например, III /соответствующий ему цилиндр показан в конце выпуска/, через нормально закрытый контакт 8 электромагнитного реле 9 и выключатель 10, отключающий схему во время пуска двигателя, соединен со входом электронного блока 11. Второй вход этого блока соединен с датчиком 12 углового положения педали 13 управления мощностью. Выход блока 11 через усилитель 14 и подвижный контакт 7 распределителя импульсов поочередно подключается к цепям управления электромагнитов перепускных клапанов форсунок 5. The drawing shows a cylinder 1 of an engine with a piston 2, an intake valve 3, an exhaust valve 4 and an injector 5 having an overflow valve with an electromagnetic actuator in the discharge cavity. The cylinder valves interact, as usual, with the cams of the camshaft / not shown /, carrying two electrically unconnected contacts 6 and 7. Contact 6 is connected to the pole of the current source / not shown / and, when rotating, alternately contacts fixed contacts located around the circumference in the order of operation of the cylinders, for example I-III-IV-II. Each of the contacts, for example, III / the corresponding cylinder is shown at the end of the output /, through the normally closed contact 8 of the electromagnetic relay 9 and the switch 10, which disconnects the circuit during engine start-up, is connected to the input of the electronic unit 11. The second input of this block is connected to the sensor 12 angular position of the pedal 13 power control. The output of block 11 through the amplifier 14 and the movable contact 7 of the pulse distributor is alternately connected to the control circuits of the solenoid bypass valves of the nozzles 5.

Каждый цилиндр имеет датчик 15 температуры, соединенный с одним из входов электронного блока 16, выявляющего наиболее холодный цилиндр. Каждый выход блока 16 через усилитель 17 соединен с цепью управления реле 9, контакт 8 которого замыкает цепь импульсов соответствующего цилиндра. Each cylinder has a temperature sensor 15 connected to one of the inputs of the electronic unit 16, which detects the coldest cylinder. Each output of block 16 through an amplifier 17 is connected to a control circuit of relay 9, contact 8 of which closes the pulse circuit of the corresponding cylinder.

Устройство работает следующим образом. После пуска и прогрева вал двигателя вращается с постоянной частотой, выбранной в "экономичной" зоне характеристики. Когда замыкают выключатель 10, на вход блока 11 поступают электрические импульсы, возникающие при периодическом замыкании вращающегося контакта 6 с неподвижными контактами, положение которых согласовано с положением поршней в соответствующих цилиндрах, подобно тому, как при работе известного прерывателя-распределителя зажигания. При этих условиях, если замкнуты все контакты 8, на вход блока 11 через равные промежутки времени поступают электрические импульсы. Блок 11 не пропускает некоторые из них, сохраняя взаимное положение "уцелевших" импульсов на своем выходе. Эти, а также распределением импульсов подвижным контактом 7, вращающимся синхронно с контактом 6, обеспечивается попадание каждого импульса через усилитель 14 на электромагнит перепускного канала форсунки 5 только "своего" цилиндра. В результате происходит однократное открытие перепускного клапана форсунки перед ее срабатыванием и очередная доза топлива поступает не в цилиндр, а в сливной трубопровод, - происходит "пропуск". Количество импульсов на выходе блока 11 равно необходимому числу таких "пропусков" и изменяется от нуля /пропусков нет, число выполненных рабочих циклов и мощность - наибольшие/ до максимума, когда двигатель работает на холостом ходу. Частота импульсов на выходе зависит от программы блока 11, которую тот выбирает в соответствии с информацией датчика 12 об угловом положении педали 13. При перемещении педали из исходного положения, соответствующего холостому ходу двигателя, частота импульсов на выходе блока постепенно снижается и, следовательно, увеличивается частота выполненных рабочих циклов и мощность растет. При дальнейшем перемещении педали в какой-то момент будет достигнуто полное отсутствие импульсов на выходе /частота равна нулю/ и двигатель разовьет наибольшую мощность, возможную при данной частоте вращения. Этот составит ориентировочно 60. ..75% от номинальной мощности в зависимости от выбранной рабочей частоты. При дальнейшем нажатии педали известными методами обогащают горячую смесь до мощного состава и двигатель, как обычно, увеличивает обороты до достижения номинальной мощности. The device operates as follows. After starting and warming up, the motor shaft rotates at a constant frequency, selected in the "economical" area of the characteristic. When the switch 10 is closed, electrical impulses are received at the input of the block 11, which occur when the rotating contact 6 is periodically closed with fixed contacts, the position of which is consistent with the position of the pistons in the respective cylinders, similar to the operation of the known ignition interrupter-distributor. Under these conditions, if all contacts 8 are closed, electrical impulses arrive at the input of block 11 at regular intervals. Block 11 does not miss some of them, maintaining the relative position of the "surviving" pulses at its output. These, as well as the distribution of pulses by the moving contact 7, rotating synchronously with the contact 6, ensures that each pulse through the amplifier 14 on the solenoid bypass channel of the nozzle 5 only "own" cylinder. As a result, the nozzle bypass valve opens once before it is triggered and the next dose of fuel enters not into the cylinder, but into the drain pipe - a “pass” occurs. The number of pulses at the output of block 11 is equal to the required number of such “gaps” and varies from zero / no gaps, the number of completed work cycles and power are the largest / to the maximum when the engine is idling. The frequency of the output pulses depends on the program of the block 11, which one selects in accordance with the information of the sensor 12 on the angular position of the pedal 13. When the pedal is moved from the initial position corresponding to the engine idling, the pulse frequency at the output of the block gradually decreases and, therefore, the frequency increases completed work cycles and power is growing. With further movement of the pedal at some point, there will be a complete absence of pulses at the output / the frequency is zero / and the engine will develop the greatest power possible at a given speed. This will be approximately 60 ... 75% of the rated power, depending on the selected operating frequency. When the pedal is pressed further, known methods enrich the hot mixture to a powerful composition and the engine, as usual, increases the speed until the rated power is reached.

Рабочая частота вращения вала поддерживается постоянной во всем диапазоне регулирования изменением положения педали в соответствии с изменением нагрузки, подобно тому, как регулируется педалью "газа" обычный двигатель автомобиля /оптимальным является автоматическое регулирование мощности при использовании бесступенчатой трансмиссии/. Поддержание постоянной массы заряда при обедненной смеси осуществляется известными методами. The working shaft speed is maintained constant throughout the control range by changing the position of the pedal in accordance with the change in load, similar to how a conventional car engine adjusts the gas pedal / automatic power control when using a continuously variable transmission is optimal /. Maintaining a constant charge mass with a lean mixture is carried out by known methods.

В процессе работы двигателя информация датчиков 15 температуры цилиндров сравнивается в электронном блоке 16. Блок выявляет самый холодный цилиндр и формирует на соответствующем выходе команду, которая через усилитель 17 подается на реле 9. Срабатывание реле вызывает размыкание контакта 8 и импульсы от холодного цилиндра перестают поступать на вход блока 11. Поэтому пропуски в данном цилиндре прекращаются и его температура растет. During engine operation, the information of the cylinder temperature sensors 15 is compared in the electronic unit 16. The unit detects the coldest cylinder and generates a command at the corresponding output, which is fed to relay 9 through the amplifier 17. The operation of the relay causes the contact 8 to open and pulses from the cold cylinder cease to flow to block 11 input. Therefore, gaps in this cylinder cease and its temperature rises.

Оставшееся количество рабочих циклов, необходимое для поддержания заданной мощности, распределяется между более горячими цилиндрами. Увеличившееся число пропусков в этих цилиндрах способствует их охлаждению. Так обеспечивается скорейшее выравнивание температур всех цилиндров. The remaining number of duty cycles required to maintain a given power is distributed between the hotter cylinders. The increased number of passes in these cylinders contributes to their cooling. This ensures the fastest temperature equalization of all cylinders.

Описанное устройство, при использовании соответствующей форсунки может также регулировать мощность двигателя с впрыском бензина в зону впускного клапана. Для карбюраторного, или двигателя с одноточечным впрыском, могут быть использованы, например, известные управляемые клапаны цилиндров. The described device, when using the appropriate nozzle, can also regulate the power of the engine with the injection of gasoline into the intake valve area. For a carbureted or single-point injection engine, for example, well-known controlled cylinder valves can be used.

Claims (4)

1. Способ регулирования мощности поршневого двигателя внутреннего сгорания, в цилиндре которого осуществляются рабочие циклы с частотой, задаваемой валом отбора мощности, путем изменения массы сжигаемого топлива для поддержания постоянной частоты вращения вала независимо от нагрузки, отличающийся тем, что в соответствии с изменением нагрузки изменяют частоту выполненных рабочих циклов, а частоту вращения вала выбирают из полосы частот, при которых двигатель имеет минимальный удельный расход топлива. 1. The method of controlling the power of a reciprocating internal combustion engine, in the cylinder of which the operating cycles are carried out with a frequency specified by the power take-off shaft, by changing the mass of fuel burned to maintain a constant shaft speed regardless of the load, characterized in that in accordance with the change in load, the frequency is changed completed work cycles, and the shaft speed is selected from the frequency band at which the engine has a minimum specific fuel consumption. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту вращения вала выбирают наибольшей. 2. The method according to claim 1, characterized in that the rotational speed of the shaft is chosen to be greatest. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в диапазоне регулирования от мощности холостого хода до мощности, при которой частота выполненных рабочих циклов наибольшая, массу подаваемого в цилиндр топлива не изменяют. 3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that in the control range from idle power to power at which the frequency of the completed work cycles is greatest, the mass of fuel supplied to the cylinder does not change. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что необходимое для получения требуемой мощности число выполненных рабочих циклов распределяют между цилиндрами двигателя таким образом, чтобы обеспечить минимальную разницу их температур. 4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that the number of completed work cycles necessary to obtain the required power is distributed between the engine cylinders in such a way as to ensure a minimum temperature difference.