RU2204029C2 - Device to regulate temperature of working media in internal combustion engine - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: invention can be used for automatically regulate temperature of working media in internal combustion engines of vehicles, namely in cooling, supercharging air and fuel systems. Proposed device contains electric temperature transmitter installed at engine outlet and connected with control unit coupled through electric actuator with three-way valve whose branch pipes are connected with engine working medium intake channel, bypass channel to engine and channel re-distributing working medium flow, to heat exchanger. Device contains additionally, load pickup installed on engine and microcomputer with compensating, comparing-summing and regulating units. Comparing-summing unit is connected with temperature transmitter, load pickup and setter. Invention provides quick and accurate control of cooling water optimum temperature at variable loads owing to quick response of device elements and introduction of combination control. EFFECT: improved control of temperature. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к автоматическому регулированию температуры рабочих сред двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в транспортных средствах для регулирования температуры рабочих сред ДВС: систем охлаждения, наддувочного воздуха, смазочного масла и топливной системы. The invention relates to engine building, in particular to automatic temperature control of the working fluid of internal combustion engines, and can be used in vehicles to control the temperature of the working fluid of ICE: cooling systems, charge air, lubricating oil and fuel system.

Известно, что для нормальной эксплуатации двигателей внутреннего сгорания необходимо поддержание определенного уровня температуры его деталей и рабочих сред (охлаждающей воды, наддувочного воздуха, масла и топлива). It is known that for the normal operation of internal combustion engines it is necessary to maintain a certain level of temperature of its parts and working media (cooling water, charge air, oil and fuel).

Известны системы регулирования температурного состояния деталей и рабочих сред, заключающихся в использовании электрических электронных блоков управления. Например, известно устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания [1]. Устройство содержит регулирующий орган с двумя клапанами, электрический исполнительный механизм - электромагнит, датчик температуры и блок управления. Электромагнит, связанный со штоком регулирующего органа с помощью клапанов, перераспределяет жидкость на перепуск или на холодильник, чем осуществляют регулирование температуры. Known systems for regulating the temperature state of parts and working media, consisting in the use of electrical electronic control units. For example, a device is known for controlling the temperature of a coolant of an internal combustion engine [1]. The device contains a regulatory body with two valves, an electric actuator - an electromagnet, a temperature sensor and a control unit. An electromagnet connected to the stem of the regulatory body by means of valves redistributes the liquid to the bypass or to the refrigerator, thereby controlling the temperature.

Недостатком данного устройства является недостаточная точность регулирования. The disadvantage of this device is the lack of accuracy of regulation.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является "Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором, имеющим газовыхлопной патрубок" [2]. The closest technical solution (prototype) is "A device for controlling the temperature of the coolant of an internal combustion engine with a turbocompressor having a gas exhaust pipe" [2].

Устройство содержит датчик температуры, трехходовой кран, электрический исполнительный механизм постоянной скорости, электронный блок управления и релейно-импульсную систему. The device comprises a temperature sensor, a three-way valve, an electric actuator of constant speed, an electronic control unit and a relay-pulse system.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности изменения программ регулирования рабочих сред (в пределах определенных границ для выбранных структур) без изменения монтажных связей. The disadvantage of this device is the inability to change the programs of regulation of the working environment (within certain boundaries for the selected structures) without changing the mounting connections.

Кроме того, данное устройство обладает инерционностью, что обусловливает его запаздывание регулирования температуры на изменение нагрузки, что является основной причиной невысокого качества регулирования. Это объясняется тем, что при появлении в устройстве возмущающего воздействия происходит повышенная теплоотдача в систему охлаждения ДВС. В этом случае для обеспечения требуемого качества регулирования можно выполнить синтез структуры системы с использованием последовательных корректирующих устройств. Сложность решения задачи таким методом состоит в том, что при таком синтезе ее функциональные и регулирующие устройства реагируют на поступившее возмущающее воздействие не сразу в момент поступления его на устройство. А только тогда, когда оно уже проходит через устройство, т.е. с некоторым запаздыванием, значение которого определяется инерционностью устройства по каналу возмущающего воздействия. In addition, this device has an inertia, which causes its delay in temperature control to change the load, which is the main reason for the low quality of regulation. This is due to the fact that when a disturbing effect appears in the device, increased heat transfer to the ICE cooling system occurs. In this case, to ensure the required quality of regulation, it is possible to synthesize the structure of the system using sequential corrective devices. The complexity of solving the problem by this method lies in the fact that with such a synthesis, its functional and regulatory devices do not respond to the disturbing effect immediately when it arrives at the device. But only when it already passes through the device, i.e. with some delay, the value of which is determined by the inertia of the device along the channel of the disturbing effect.

Таким образом, теряется оперативность в принятии мер по выработке регулирующего воздействия на устройство, компенсирующего нежелательное влияние возмущающего воздействия на регулируемую температуру. Несвоевременность принятия таких мер приводит к ухудшению качества регулирования [3]. Thus, efficiency is lost in taking measures to develop a regulatory effect on the device that compensates for the undesirable effect of the disturbing effect on the controlled temperature. Late adoption of such measures leads to a deterioration in the quality of regulation [3].

Заявляемое изобретение решает задачу создания компактного устройства, обладающего простотой реализации достаточно сложных алгоритмов работы автоматического регулирования температуры рабочих сред ДВС с возможностью изменения в широком диапазоне параметров настройки в зависимости от режимов и условий работы двигателя. The claimed invention solves the problem of creating a compact device having the simplicity of implementing fairly complex algorithms for automatically controlling the temperature of the internal combustion engine's working media with the possibility of changing in a wide range of settings depending on the engine operating conditions and conditions.

Техническим результатом, достигаемым при этом, является быстрота и точность регулирования оптимальной температуры охлаждающей воды на переменных нагрузках за счет повышения быстродействия элементов устройства, введения в устройство комбинированного регулирования. Наряду с регулированием по отклонению или ошибке температуры, используется регулирование по возмущающему воздействию, расширение и наращивание его функциональных возможностей по мере необходимости или появления новых алгоритмов работы автоматического регулирования температуры и новых технических средств, без усложнения аппаратной части. The technical result achieved in this case is the speed and accuracy of controlling the optimum temperature of cooling water at variable loads by increasing the speed of the elements of the device, introducing combined control into the device. Along with regulation of deviation or temperature error, regulation of disturbance is used, expansion and expansion of its functionality as necessary or the emergence of new algorithms for automatic temperature control and new technical means, without complicating the hardware.

Этот технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для регулирования температуры системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС), содержащее электрический датчик температуры, установленный на выходе из двигателя; электрический исполнительный механизм, соединенный с трехходовым краном, патрубки которого подключены к каналам приема охлаждающей жидкости из двигателя, перепуска на двигатель и распределения потока охлаждающей жидкости на холодильник, снабжено датчиком нагрузки, установленным на двигателе и микроЭВМ с компенсирующим, регулирующим узлами и узлом сравнения-суммирования, узел сравнения-суммирования соединен с датчиками температуры, нагрузки и задатчиком. This technical result is achieved by the fact that the proposed device for controlling the temperature of the cooling system of an internal combustion engine (ICE), comprising an electric temperature sensor mounted at the outlet of the engine; an electric actuator connected to a three-way valve, the nozzles of which are connected to the channels for receiving coolant from the engine, bypassing the engine and distributing the flow of coolant to the refrigerator, is equipped with a load sensor mounted on the engine and microcomputer with compensating, regulating units and a comparison-summing unit , the comparison-summing unit is connected to temperature, load, and master sensors.

При этом, сигналы от задатчика, датчика температуры через аналого-цифровой преобразователь, датчика нагрузки через цифроаналоговый преобразователь и компенсирующий узел попадают в узел сравнения-суммирования, а сигнал рассогласования подается на регулирующий узел, выход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к исполнительному механизму. At the same time, the signals from the master, the temperature sensor through the analog-to-digital converter, the load sensor through the digital-to-analog converter and the compensating node go to the comparison-summing unit, and the error signal is fed to the control unit, the output of which through the digital-to-analog converter is connected to the actuator.

На чертеже представлен пример реализации данного изобретения на устройстве для регулирования температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения ДВС. Устройство содержит непрерывную часть А и дискретную часть Б. К непрерывной части относится двигатель 1, электрический датчик температуры 2, установленный на выходе из двигателя 1, датчик нагрузки 3, регулирующий орган, выполненный в виде трехходового крана 5, электрический исполнительный механизм 4, соединенный с трехходовым краном 5, патрубки которого подключены к каналам: 6 - приема охлаждающей жидкости из двигателя, 7 - перепуска на двигатель, 8 - распределения потока охлаждающей жидкости на холодильник 9. К дискретной части относится аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 10, 11; микроЭВМ 12, в которой предусмотрены компенсирующий узел 13, узел сравнения-суммирования 14 и регулирующий узел 15; цифроаналоговый преобразователь 16 и задатчик программы 17. The drawing shows an example implementation of the present invention on a device for controlling the temperature of the coolant of the engine cooling system. The device comprises a continuous part A and a discrete part B. The continuous part includes an engine 1, an electric temperature sensor 2, installed at the outlet of the engine 1, a load sensor 3, a regulating body made in the form of a three-way valve 5, an electric actuator 4 connected to three-way valve 5, the nozzles of which are connected to the channels: 6 - intake of coolant from the engine, 7 - bypass to the engine, 8 - distribution of the flow of coolant to the refrigerator 9. The analogous part o-digital converters (ADC) 10, 11; microcomputer 12, in which a compensating node 13, a comparison-summing node 14, and a regulating node 15 are provided; digital-to-analog converter 16 and program master 17.

Электрический исполнительный механизм 4 постоянной скорости соединен механически с трехходовым краном 5 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. An electric actuator 4 of constant speed is connected mechanically with a three-way valve 5 and can only be in three steady states: rotation of the output shaft at a constant speed S, immobility, rotation of the output shaft in the opposite direction at a constant speed - S.

Датчик температуры 2 служит для регулирования системы охлаждения по отклонению температуры охлаждающей жидкости, а датчик нагрузки 3 - по отклонению возмущающего воздействия. При работе двигателя датчик температуры 2 формирует аналоговый сигнал V_m, а датчик нагрузки 3 - V_λ в аналоговой форме.The temperature sensor 2 is used to regulate the cooling system according to the deviation of the temperature of the coolant, and the load sensor 3 - according to the deviation of the disturbing effect. When the engine is running, temperature sensor 2 generates an analog signal V _m , and load sensor 3 generates V _λ in analog form.

Для передачи сигналов из А в Б и обратно эти сигналы должны соответствующим образом преобразовываться. С этой целью в структуру устройства включаются аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 10, 11, преобразующие аналоговые сигналы V_m, V_λ в дискретные х, у и цифроаналоговый преобразователь (η регулирования температуры ЦАП) 16, преобразующий дискретный сигнал r регулирования температуры в аналоговый сигнал.To transmit signals from A to B and vice versa, these signals must be converted accordingly. For this purpose, analog-to-digital converters (ADCs) 10, 11 are included in the device structure, converting the analog signals V _m , V _λ into discrete х, у and a digital-to-analog converter (η controlling the temperature of the DAC) 16, converting the discrete signal r of temperature control to analog signal.

В зависимости от требований к оптимальному температурному режиму задатчик программы 17 устанавливается на заданную температуру и с помощью сигнала α_д задатчик программы 17 связан с узлом сравнения-суммирования 14.Depending on the requirements for the optimal temperature mode, the program controller 17 is set to a predetermined temperature and, using the signal α _{d, the} program controller 17 is connected to the comparison-summing unit 14.

В случае необходимости использования других систем в данном устройстве, например, системы регулирования температуры наддувочного воздуха, смазочного масла, топлива, поршня, форсунки и т.п. - датчики этих элементов (не показаны) через АЦП подключаются к микроЭВМ 12. If it is necessary to use other systems in this device, for example, a temperature control system for charge air, lubricating oil, fuel, piston, nozzle, etc. - sensors of these elements (not shown) through the ADC are connected to the microcomputer 12.

Предлагаемое устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя работает следующим образом. The proposed device for controlling the temperature of the engine coolant operates as follows.

После запуска двигателя данное устройство начинает работать. При этом непрерывный аналоговый сигнал V_m от датчика температуры 2 подается в аналого-цифровой преобразователь 10. В АЦП 10 непрерывный сигнал подвергается квантованию по времени с шагом Δt, т.е. сигнал получает определенные значения только в моменты 0, Δt, 2Δt,...nΔt,... Таким образом, непрерывный сигнал, полученный от датчика температуры 2, например V_m(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 передаются в микроЭВМ 12 (см. чертеж).After starting the engine, this device starts to work. In this case, the continuous analog signal V _m from the temperature sensor 2 is supplied to the analog-to-digital converter 10. In the ADC 10, the continuous signal is quantized in time with a step Δt, i.e. the signal receives certain values only at moments 0, Δt, 2Δt, ... nΔt, ... Thus, a continuous signal received from temperature sensor 2, for example, V _m (t) is converted to a discrete x (t). At the same time, the signal is quantized by level by rounding the discrete signal x (t) to the standard nearest level. The signal x (t) obtained in this way is a sequence of digital binary codes that are transmitted to the microcomputer 12 at discrete time instants (see drawing).

Одновременно непрерывный аналоговый сигнал V_λ от датчика нагрузки 3 подается в аналого-цифровой преобразователь 11, который аналогично сигналу V_m преобразуется в дискретный сигнал у и подается в микроЭВМ 12. МикроЭВМ 12 со своим программным обеспечением реализует функции управления с помощью компенсирующего, регулирующего узлов 13, 15 и узла сравнения-суммирования 14.At the same time, a continuous analog signal V _λ from the load sensor 3 is supplied to an analog-to-digital converter 11, which, similarly to the signal V _{m, is} converted into a discrete signal y and supplied to the microcomputer 12. The microcomputer 12 with its software implements control functions using compensating, regulating nodes 13 , 15 and comparison-summation node 14.

Сигнал нагрузки у, поступающий на компенсирующий узел 13, преобразуется в соответствии с заданным законом

и поступает на узел сравнения-суммирования 14.The load signal y, arriving at the compensating node 13, is converted in accordance with a given law

and enters the node comparison-summation 14.

Сопоставлением сигналов от датчиков температуры х и нагрузки

с сигналом α_д, поступающим от задатчика программы (ЗП) 17 (в данном случае дискретного), в узле сравнения-суммирования 14 происходит изменение сигнала ошибки ε. По этому сигналу ε регулирующий узел 15 вырабатывает дискретный сигнал погрешности, на основании которого в каждый тактовый момент времени в соответствии с выбранным законом регулирования вычисляется дискретный регулирующий сигнал r, который передается в ЦАП 16, где он преобразуется в аналоговый ступенчатый η, который и поступает в электрический исполнительный механизм 4, который приводит в действие по часовой стрелке или против в зависимости от знака сигнала и через трехходовой кран 5 происходит распределение потока охлаждающей жидкости системы охлаждения:
- по каналу 7 на перепуск, если θ_p≤θ₀;
- по каналам 7 и 8 - на перепуск и холодильник, если θ_p≥θ₀;
- по каналу 8 в холодильник, если θ_p≥θ_кр.
Здесь
θ_p - регулируемая температура охлаждающей жидкости.Comparison of signals from temperature sensors x and load

with the signal α _d coming from the program master (GP) 17 (in this case, discrete), in the comparison-summing unit 14, the error signal ε changes. Based on this signal ε, the control unit 15 generates a discrete error signal, based on which, at each clock time, in accordance with the selected control law, a discrete control signal r is calculated, which is transmitted to the DAC 16, where it is converted to an analog step η, which is fed to an electric actuator 4, which drives clockwise or counterclockwise depending on the sign of the signal and through the three-way valve 5, the flow of coolant is distributed Cooling system:
- on channel 7 to bypass, if θ _p ≤θ ₀ ;
- on channels 7 and 8 - to bypass and refrigerator, if θ _p ≥θ ₀ ;
- through channel 8 to the refrigerator, if θ _p ≥θ _cr .
Here
θ _p - adjustable coolant temperature.

θ_o - оптимальная температура охлаждающей жидкости.θ _o is the optimum temperature of the coolant.

θ_кр - критическая температура охлаждающей жидкости.θ _cr - the critical temperature of the coolant.

В этом устройстве датчик нагрузки 3 с компенсирующим узлом 13 на основании измерения возмущения воздействует на регулируемый объект с тем, чтобы не допустить отклонения регулируемой температуры. При этом регулирование с компенсацией возмущающего воздействия с целью формирования такого сигнала V_λ, который, будучи подан на вход предлагаемого устройства, компенсирует действие возмущений. Регулирование по возмущению сочетает с регулированием по отклонению температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения. Сигнал регулирования r, формирующийся на выходе микроЭВМ 12, зависит от отклонений как регулируемой температуры системы охлаждения, так и текущего изменения нагрузки.In this device, the load sensor 3 with the compensating node 13 based on the measurement of disturbances acts on the adjustable object in order to prevent deviation of the controlled temperature. Moreover, the regulation with compensation of the disturbing effect in order to generate such a signal V _λ , which, being applied to the input of the proposed device, compensates for the effect of disturbances. Perturbation control is combined with control of the temperature deviation of the coolant in the cooling system. The control signal r, which is formed at the output of the microcomputer 12, depends on the deviations of both the controlled temperature of the cooling system and the current load change.

Таким образом, заявляемое устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости ДВС, используя наряду с регулированием по отклонению температуры регулирование по возмущающему воздействию-нагрузке, позволяет поддерживать оптимальную температуру охлаждающей жидкости системы охлаждения на всех режимах работы двигателя. Кроме того, при необходимости позволяет подключить к данному устройству другие объекты, например системы для регулирования температуры наддувочного воздуха, смазочного масла, топлива, поршня, форсунки и т.п. Thus, the inventive device for controlling the temperature of the engine coolant, using, along with the control for temperature deviation, control according to the disturbing effect-load, allows you to maintain the optimum temperature of the coolant in the cooling system at all engine operating modes. In addition, if necessary, it allows you to connect other objects to this device, for example, systems for regulating the temperature of charge air, lubricating oil, fuel, piston, nozzle, etc.

Источник информации
1. Патент 1763687 A1, F 01 Р 7/16. Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания. Авторы В.Н, Тимофеев, Е.А. Киселев, В.Д. Мирошниченко, Е.В. Кротов, и Г.А. Андреев. Заявка 4888882/06. Заявлено 06.12.90 г., опубликовано 23.09.92 г. Бюл. 35.Sourse of information
1. Patent 1763687 A1, F 01 P 7/16. Device for regulating the temperature of the coolant of an internal combustion engine. Authors V.N., Timofeev, E.A. Kiselev, V.D. Miroshnichenko, E.V. Krotov, and G.A. Andreev. Application 4888882/06. Declared December 6, 1990, published September 23, 1992 Bul. 35.

2. Патент 2031216 C1, F 01 Р 7/14. Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором, имеющим газовыхлопной патрубок. Авторы В.Н. Тимофеев, Е.А. Киселев, Е. В. Кротов и др. Заявка 4942614/ 06. Заявлено 04.06.91, опубликовано 20.03.95 г. Бюл. 8. 2. Patent 2031216 C1, F 01 P 7/14. A device for controlling the temperature of the coolant of an internal combustion engine with a turbocompressor having a gas exhaust pipe. Authors V.N. Timofeev, E.A. Kiselev, E. V. Krotov and others. Application 4942614 / 06. Declared 04.06.91, published 03.20.95, Byul. 8.

3. Клюев А.С. Автоматическое регулирование. Изд. 2-е, перераб. и доп. М. , "Энергия", 1973. 3. Klyuev A.S. Automatic regulation. Ed. 2nd, rev. and add. M., "Energy", 1973.

Claims (1)

Устройство для регулирования температуры рабочих сред двигателя внутреннего сгорания, содержащее электрический датчик температуры, установленный на выходе из двигателя, соединенный с блоком управления, связанным через электрический исполнительный механизм, с трехходовым краном, патрубки которого подключены с каналами приема рабочей среды двигателя, перепуска на двигатель и распределения потока рабочей среды на теплообменник, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит датчик нагрузки, установленный на двигателе и микроЭВМ с узлами компенсации, сравнения-суммирования и регулирования, причем узел сравнения-суммирования соединен с датчиками температуры нагрузки и задатчиком. A device for controlling the temperature of the working fluids of an internal combustion engine, comprising an electric temperature sensor installed at the engine outlet, connected to a control unit connected via an electric actuator, to a three-way valve, the nozzles of which are connected to the channels for receiving the working medium of the engine, bypass to the engine and distribution of the working fluid flow to the heat exchanger, characterized in that it further comprises a load sensor mounted on the engine and microcomputer with Lamy compensation summation and comparison-regulation, wherein the comparison-summing node connected to the load sensor and the temperature setter.