Устройство стабилизации минимального удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ МИНИМАЛЬНОГО УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ТОПЛИВА ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(72) Авторы Тарасенко Виктор Евгеньевич Бобровник Александр Иванович Горбаченя Эдуард Владимирович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(57) Устройство стабилизации минимального удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания, содержащее топливоподающий насос, систему автоматического регулирования режима работы двигателя внутреннего сгорания с обратной связью с элементами трансмиссии, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчики оборотов коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, расхода топлива и воздуха, загрузки двигателя,скорости движения мобильной машины, рабочего диапазона трансмиссии и крутящего момента, температуры охлаждающей жидкости, масла, топлива и воздуха, давления в воздушном коллекторе с возможностью осуществления ими непрерывного преобразования 91452013.04.30 изменения соответствующих параметров в величины электрического сигнала и дополнительно формирователь сигнала управления, содержащий аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, цифроаналоговый преобразователь, компаратор, регулятор и дифференциальный усилитель, при этом формирователь сигнала управления наделен способностью преобразования разности напряжения датчиков и опорного напряжения в единое напряжение с подачей на трансмиссию и двигатель внутреннего сгорания.(56) 1. Скотников В.А. и др.Тракторы и автомобили Учеб. пособие для с.-х. техникумов / Под ред. В.А.Скотникова. - М. Агропромиздат, 1985. - С. 84-85. 2. Скотников В.А., Мащенский А.А., Солонский А.С. Основы теории и расчета трактора и автомобиля / Под ред. В.А.Скотникова. - М. Агропромиздат, 1986. - 383 с. 3. Умный ход Беларуси в рыночную Европу // Сейбит. - Минск, 2009. -4. - С. 20-24. 4. Патент 2070649 1, МПК 602 45/00,60 41/16, 1996. 5. Патент 2338081 1, МПК 602 17/04,02 41/30, 2008 (прототип). Предлагаемая полезная модель относится к области использования двигателей внутреннего сгорания в мобильных машинах и агрегатах с электромеханической трансмиссией, в частности, применительно к тракторам сельскохозяйственного и промышленного назначения. Широко известен всережимный центробежный регулятор, предназначенный для обеспечения заданного скоростного режима двигателя внутреннего сгорания и устанавливаемый на топливном насосе высокого давления 1. При работе регулятор, с одной стороны,должен быть достаточно чувствителен к изменению частоты вращения, а с другой - не должен непрерывно дергать рейку топливного насоса. Уменьшенная чувствительность регулятора приводит к увеличению максимальной частоты вращения, дополнительным износам двигателя и перерасходу топлива. Повышенная чувствительность сопровождается износом регулирующего механизма и связанных с ним деталей насоса высокого давления. Известно, что работа двигателя внутреннего сгорания на частичном скоростном режиме и трансмиссии на повышенной передаче позволяет поддерживать постоянную скорость движения мобильной машины. При этом загрузка двигателя внутреннего сгорания по крутящему моменту возрастает и он работает в зоне минимальных удельных расходов топлива 2. Использование электромеханической трансмиссии на мобильных машинах и агрегатах получило достаточно широкое применение. В частности, данное техническое решение применяется на карьерных самосвалах БеЛАЗ, железнодорожном транспорте, троллейбусах, на новой модели энергонасыщенного трактора БЕЛАРУС-3023 3. Существенным недостатком рассмотренных энергоустановок является то, что они не обеспечивают условие максимального использования двигателя внутреннего сгорания на его внешней скоростной характеристике (с коэффициентом загрузки двигателя не менее 0,6). Они также не имеют возможности рекуперации кинетической энергии при торможении двигателя внутреннего сгорания по команде оператора или при движении мобильной машины и агрегата под уклон. Известно устройство стабилизации минимального удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания, содержащее топливоподающий рабочий орган, снабженный системой автоматического регулирования с обратной связью с элементом трансмиссии,ступенчатую коробку передач и вариатор с бесступенчатым регулированием частоты вращения 4. Данное устройство снабжено преобразователем положения топливоподающего рабочего органа в сигнал задания частоты вращения двигателя, датчиком частоты 2 91452013.04.30 вращения входного вала вариатора, устройством сравнения частоты вращения входного вала, преобразователем, управляющим механической характеристикой вариатора, устройством сравнения разности частот вращения с допустимой, а также преобразователем,управляющим механизмом переключения коробки передач. Существенным недостатком данного технического решения является наличие многоступенчатой коробки передач и гидромеханической трансмиссии, что крайне сложно в конструктивном исполнении. К недостаткам следует также отнести использование достаточно сложного управления двумя механическими устройствами многоступенчатой коробкой передач и вариатором с бесступенчатым регулированием частоты вращения (управляемым гидротрансформатором). Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению(прототип) является устройство стабилизации минимального удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания транспортного средства с электромеханической трансмиссией 5, содержащее генератор переменного тока, выпрямитель, управляемый аккумулятор электрической энергии, электродвигатель со своей системой управления. Недостатком известного устройства является наличие пускоостановочных режимов работы двигателя внутреннего сгорания, что приводит к дестабилизации температурного режима по охлаждающей жидкости и маслу, повышенному износу деталей цилиндро-поршневой группы. К недостаткам следует отнести крайне сложную последовательность управления генератором переменного тока и электродвигателем. Задачей предлагаемой полезной модели является стабилизация минимального удельного расхода топлива и оптимизация режима работы двигателя внутреннего сгорания при переменном характере нагрузки, передаваемой на электромеханическую трансмиссию,обеспечение рационального и энергоэффективного режима эксплуатации мобильной машины. Задача решается за счет того, что в устройстве стабилизации минимального удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания, содержащем топливоподающий насос,систему автоматического регулирования режима работы двигателя внутреннего сгорания с обратной связью с элементами трансмиссии, дополнительно содержатся датчики оборотов коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, расхода топлива и воздуха, загрузки двигателя, скорости движения мобильной машины, рабочего диапазона трансмиссии и крутящего момента, температуры охлаждающей жидкости, масла, топлива и воздуха, давления в воздушном коллекторе с возможностью осуществления ими непрерывного преобразования изменения соответствующих параметров в величины электрического сигнала и дополнительно формирователь сигнала управления, содержащий аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, цифроаналоговый преобразователь, компаратор, регулятор и дифференциальный усилитель, при этом формирователь сигнала управления наделен способностью преобразования разности напряжения датчиков и опорного напряжения в единое напряжение с подачей на трансмиссию и двигатель внутреннего сгорания. На фигуре представлены функциональные части устройства стабилизации минимального удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания. Предлагаемое устройство включает в себя датчики 3 оборотов коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания 1, расхода топлива 4 и воздуха 5, температуры охлаждающей жидкости 6, масла 9, топлива 10 и воздуха 11, давления в воздушном коллекторе 12, скорости движения мобильной машины 7, рабочего диапазона трансмиссии 8 и крутящего момента 13, загрузки двигателя внутреннего сгорания 14, а также усилитель 15 и формирователь сигнала управления 16. Температуры охлаждающей жидкости, масла, топлива и воздуха контролируются при помощи цифровых датчиков 6, 9, 10 и 11, объединенных на кристалле в единый кремниевый термодатчик. Указанная совокупность контрольноизмерительных элементов, функциональных электронных устройств осуществляет управление работой двигателя внутреннего сгорания 1 и трансмиссии 2. 3 91452013.04.30 Устройство работает следующим образом. Выполнение технологических и иных работ сопряжено с различными режимами эксплуатации мобильной машины и степенью загрузки двигателя. Датчики осуществляют непрерывное преобразование значений оборотов коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания 1, расхода топлива и воздуха, загрузки двигателя, скорости движения мобильной машины, рабочего диапазона трансмиссии 2 и крутящего момента, температуры охлаждающей жидкости, масла, топлива и воздуха, давления в воздушном коллекторе в величины электрического сигнала, а формирователь сигнала управления 16 постоянно сравнивает напряжения датчиков с опорным напряжением. При загрузке двигателя с коэффициентом 0,6 происходит снижение частоты вращения коленчатого вала двигателя (переход на частичный режим) с одновременным изменением диапазона работы трансмиссии 2 до момента достижения двигателем коэффициента загрузки не менее 0,6. При этом формирователь сигнала управления 16 выдает нулевое напряжение на трансмиссию 2 и двигатель внутреннего сгорания 1, происходит изменение оборотов коленчатого вала двигателя, закона топливоподачи и диапазона работы трансмиссии. При достижении 0,8 формирователь сигнала управления 16 скачком изменяет выходное напряжение от нуля до заданного уровня, что приводит к изменению режима работы двигателя внутреннего сгорания 1 и диапазона работы трансмиссии 2. Таким образом, автоматическое согласование скоростного режима работы двигателя,закона топливоподачи и рабочего диапазона трансмиссии обеспечивает загрузку двигателя с коэффициентомне менее 0,6. Эксплуатация двигателя с коэффициентом загрузки 1,0 подразумевает номинальный режим работы (номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания), при котором развивается максимальная мощность. Формирователь сигнала управления 16 может состоять из компаратора, сравнивающего сигналы датчиков с опорным сигналом и выдающего их разность на регулятор, который преобразует ее по определенному закону в выходное напряжение, подаваемое на трансмиссию 2 и двигатель внутреннего сгорания 1. Формирователь сигнала управления 16 может содержать дифференциальный усилитель. Формирователь сигнала управления,содержащий аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, выполняющий функции компаратора и регулятора, и цифроаналоговый преобразователь, обладает повышенной помехоустойчивостью. Размещение формирователя сигнала управления в корпусе трансмиссии обеспечивает лучшую помехоустойчивость устройства. Предлагаемое устройство позволяет обеспечить работу двигателя внутреннего сгорания с минимальным удельным расходом топлива при реализации мощности, потребной для передвижения мобильной машины и выполнения заданной операции. При этом создаются условия для оптимальной загрузки двигателя внутреннего сгорания и трансмиссии мобильной машины. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4