Система управления двигателем внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано для управления ими. Система управления выполнена по схеме взаимодействия элементов газораспределения и электропитания узлов двигателя. Для оптимизации и надежности управления используются выключатели и переключатели, логика функционирования которых обеспечивает заданный режим работы двигателя, а также предупреждает аварийные ситуации. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к системам управления и регулирования двигателей внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами.

Известна система (прототип) управления двигателем внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами, содержащая газораспределительные клапаны с приводом, устройства топливоподачи, гидравлические исполнительные механизмы отключения газораспределительных клапанов и топливоподачи с управляющими магистралями, источник давления рабочей жидкости с напорной магистралью, управляющий механизм, связывающий напорную, управляющую и сливную магистрали, блок задержки, следящее устройство в виде датчика перемещений, источник электрического питания.

В системе предусмотрена защита двигателя против опережающего включения топливоподачи при неработающих клапанах газораспределения путем подачи сигнала от датчика перемещений на блок задержки включения механизмов топливоподачи.

Известная система имеет следующие недостатки: отсутствие защиты двигателя в аварийных ситуациях при разгерметизации системы, заклинивания подвижных частей управляющего механизма, случайное выключение цилиндров на режимах повышенных нагрузок; отсутствие автоматического подключения всех цилиндров в работу при повышении нагрузки; отсутствие контроля за количеством работающих цилиндров; недостаточная надежность следящего устройства из-за его подключения к клапану газораспределения, имеющему высокую частоту перемещений.

Разгерметизация системы возможна при разрушении магистралей подвода управляющего масла либо разрушении мембраны в механизме отключения топливоподачи, приводящее к подаче топлива в цилиндры при неработающих клапанах газораспределения, что вызывает перерасход топлива, повышенное дымление и опасность гидроудара поршня о крышку цилиндра. Разрушение мембраны, кроме того, ведет к резкому осоляриванию масла.

Целью изобретения является повышение надежности работы двигателя при аварийных ситуациях с одновременным улучшением удобства обслуживания системы.

Для достижения поставленной цели в известную систему управления двигателем внутреннего сгорания, содержащую гидравлические механизмы отключения газораспределительных клапанов и топливоподачи с управляющими и сливными магистралями, источник давления рабочей жидкости с напорной магистралью, распределительное устройство, связывающее напорную управляющие и сливные магистрали и связанные между собой, блок задержания, датчик перемещений и источник электрического питания, дополнительно введено реле давления, первый и второй выключатели, сигнальное устройство, распределительное устройство выполнено в виде электрогидравлических вентилей с подвижными штоками, первый из которых подключен к управляющей магистрали механизма отключения газораспределительных клапанов, а второй и реле давления к управляющей магистрали механизмов отключения топливоподачи, блок задержки выполнен в виде электрического реле времени, датчик перемещений соединен с подвижным штоком первого вентиля, к источнику электрического питания подключены первый вентиль через первый выключатель и параллельно через нормально замкнутые контакты реле давления, второй вентиль через нормально замкнутые контакты датчика перемещений и параллельно через нормально замкнутые контакты реле времени, реле времени через второй выключатель, а сигнальное устройство подключено параллельно контактам реле давления, причем в положении выключателей "включено" контакты первого выключателя замкнуты, а второго разомкнуты.

Кроме того, система снабжена третьим и четвертым выключателями, многопозиционным переключателем режимов работы двигателя с подвижным и двумя группами неподвижных контактов, одна из которых подключена через третий и четвертый выключатели соответственно к первому вентилю и реле времени, а подвижный контакт подключен к источнику питания, причем в положении выключателей "включено" контакты третьего выключателя замкнуты, а четвертого разомкнуты, выключатели сблокированы между собой тягой, а сигнальное устройство выполнено в виде электрической лампочки.

На фиг. 1 представлена схема системы управления; на фиг. 2 вариант схемы; на фиг. 3 и 4 схема вариантов выполнения механизмов отключения соответственно газоснабжения и топливоподачи.

Система (фиг. 1) содержит группу отключаемых 1-3 и неотключаемых 4-6 цилиндров двигателя с устройствами 7 топливоподачи (форсунками) и клапанами 8 газораспределения, первый 9 и второй 10 электрогидравлические вентили связаны управляющими магистралями 11 соответственно с механизмами 12 отключения газораспределения и отключения топливоподачи 13, а также со сливными магистралями 14 и нагнетательной 15, запитанной от источника 16 давления. Подвижный шток 17 первого вентиля 9 взаимодействует с датчиком 18 перемещений, а к управляющей магистрали 11 второго вентиля 10 подключено трубопроводом 19 реле давления 20.

К источнику электрического питания "СЕТЬ" подключены первый вентиль 9 через первый выключатель 21 и параллельно через нормально замкнутые (НЗ) контакты реле давления 20, второй вентиль 10 через НЗ контакты датчика 18 перемещений и параллельно через НЗ контакты реле времени 22, реле времени 22 через второй выключатель 23, а сигнальное устройство (лампочка) 24 подключено параллельно контактам реле давления 20.

Группа неподвижных контактов III-VIII многопозиционного переключателя 25 подключена через третий 26 и четвертый 27 выключатели соответственно к первому вентилю 9 и реле времени 22, а подвижный контакт 28 подключен к источнику питания. Выключатели 21, 26, 23 и 27 сблокированы (соединены) между собой тягой 29.

Положение выключателей "Включено" соответствует работе двигателя на всех цилиндрах, при этом контакты первого 21 и третьего 23 выключателей замкнуты, а второго 26 и четвертого 27 разомкнуты.

Положение выключателей "Выключено" соответствует работе двигателя с отключенными цилиндрами 1-3, при этом контакты выключателей занимают противоположное состояние: 21 и 23 разомкнуты, а 26 и 27 замкнуты (положение, изображенное на фиг. 1).

Контакты "0"-VIII являются позициями режимов работы двигателя, причем позиции "0"-II соответствуют режимам холостого хода и малых нагрузок, где целесообразно отключение заданных цилиндров, а позиции III-VIII, контакты которых подключены к выключателям 26 и 27, соответствуют режимам, где отключение цилиндров неэффективно, либо недопустимо.

В качестве многопозиционного переключателя 25 может быть использован контроллер машиниста тепловоза, а источником электрического питания сеть установки (тепловоза).

Стрелками на чертеже показано направление движения рабочей жидкости, в качестве которой может быть использовано масло двигателя.

На фиг. 2 представлена схема системы управления без многопозиционного переключателя режимов работы и без третьего и четвертого выключателей (вариант по 1-му пункту формулы).

На фиг. 3 приведена схема варианта выполнения механизма отключения газораспределительных клапанов 30, на которые через коромысло 31 и гидроштангу 32 с подпружиненным плунжером 33 передается возвратно-поступательное движение от вращающегося кулачка 34. Заполнение внутренней полости гидроштанги маслом и ее опорожнение осуществляется по управляющей магистрали 35, которая одновременно является и сливной магистралью.

На фиг. 4 приведена схема варианта выполнения механизма отключения топливоподачи, в корпусе 36 которого размещен стравливающий клапан 37 и мембрана 38. Топливный насос 39 трубопроводом 40 высокого давления сообщен с форсункой (на схеме не показана). При подаче масла по управляющей магистрали 41 мембрана воздействует на клапан, чем сообщает трубопровод высокого давления со стравливающим клапаном 42.

Система работает следующим образом.

В исходном состоянии перед запуском двигателя (фиг. 1) и нахождении выключателей 21, 26, 23 и 27 в положении "Выключено" (работа двигателя с отключенными цилиндрами) и подвижного контакта 28 в положении, соответствующем "0"-й позиции переключателя 25, электрическое питание от источника "Сеть" поступает через НЗ контакты реле времени 22 и параллельно через НЗ контакты датчика перемещений 18 к вентилю 10, а через НЗ контакты реле давления 20 к вентилю 9 и через замкнутые контакты выключателей 26 и 27 к реле времени 22.

При этом вентиль 10 занимает нижнее положение (изображенное на схеме) и масло от насоса через открытый вентиль 10 поступает по магистрали 11 к механизмам отключения топливоподачи 13, где, воздействуя на мембрану 38 (фиг. 4), перемещает клапан 37, чем сообщает трубопровод высокого давления 40 со стравливающим каналом 42 и исключает, таким образом возможность подачи топлива через форсунки 7 к отключаемым цилиндрам 1-3.

Вентиль 9 первоначально перемещается в верхнее (противоположное изображенному на фиг. 1) положение и размыкает контакты датчика 18. Реле времени 22, отрабатывая заданную задержку времени, удерживает свои контакты в замкнутом состоянии, чем обеспечивает питание вентиля 10. Одновременное поступление масла из управляющей магистрали 11 по трубопроводу 19 воздействует на подвижный элемент реле давления 20 и размыкает его контакты, чем обесточивает вентиль 9, возвращает его в нижнее положение и замыкает контакты датчика 18. В данном (нижнем) положении вентиль 9 сообщает управляющую магистраль 11 со сливной 14, что в свою очередь опорожняет внутреннюю полость механизма отключения газораспределения 12. Подвижный плунжер 4 механизма (фиг. 3) получает возможность свободно перемещаться внутри гидроштанги 32, не передавая движения на газораспределительный клапан 1, оставляя тем самым клапаны газораспределения в закрытом (выключенном) положении.

Одновременно при размыкании контактов реле давления 20 (фиг. 1) обесточивается реле времени 22 (не успевая выбрать заданную временную задержку), т. е. его контакты остаются в замкнутом состоянии, и загорается сигнальная лама 24, информируя о работе системы с отключением цилиндров.

Сопротивление сигнальной лампы значительно больше (потребляемая мощность значительно меньше), чем у реле времени 22 и катушки вентиля 9, что при их последовательном соединении обеспечивает выключенное состояние реле и вентиля при номинальном питании лампы 24.

Таким образом, в исходном состоянии к моменту запуска двигателя при включенной прокачке двигателя маслом топливоподача и клапаны газораспределения в отключаемых цилиндрах выключены.

Перевод выключателей 21, 26, 23 и 27 в положение "Включено" (работа двигателя на всех цилиндрах) подает электрическое питание через выключатели 21 и 23 соответственно к вентилю 9 и реле времени 22. Вентиль перемещается в верхнее положение, сообщая напорную магистраль 15 с управляющей 11, и масло поступает к механизмам 12, заполняя их внутренние полости и обеспечивая возможность передачи возвратно-поступательного движения на газораспределительные клапаны.

Перемещение вентиля 9 вызывает размыкание контактов датчика 18, но за счет задержки, заложенной в реле времени 22, контакты реле остаются в замкнутом состоянии, чем сохраняется питание вентиля 10, т.е. топливоподача остается выключенной.

По истечении задержки, заложенной в реле времени 22, его контакты размыкаются, вентиль 10 обесточивается и перемещается в верхнее положение, чем сообщает управляющую 11 со сливной магистралью 14.

Полость над мембраной 38 (фиг. 4) опорожняется, стравливающий клапан 2 перемещается (под действием давления в трубопроводе 5 либо пружины) в закрытое (левое) положение и насос 39 имеет возможность подавать топливо по трубопроводу 5 высокого давления к форсункам двигателя.

Таким образом, перевод отключаемых цилиндров из выключенного во включенное состояние сопровождается включением газораспределительных клапанов и с задержкой по времени топливоподачи в данные цилиндры. При этом отсутствие давления в управляющей магистрали 11 (фиг. 1) и трубопроводе 19 вызывает замыкание контактов датчика давления 20, которое закорачивает цепь сигнальной лампы 24, и она гаснет.

Запуск двигателя может производиться как при включенном, так и при выключенном положении выключателей 21, 26, 23 и 27.

Подключение и отключение цилиндров при работе двигателя производится аналогично переключению при неработающем двигателе.

Подключение цилиндров при работе двигателя вызывает передачу возвратно-поступательного движения от вращающихся кулачков на кулачковом валу к газораспределительным клапанам и подачу топлива к форсункам цилиндры двигателя включены по газоснабжению и топливоподаче. Отключение цилиндров сопровождается прекращением топливоподачи и газообмена.

Работа системы при положении подвижного контакта 28 (фиг. 1)соответствующем I-й или II-й позиции переключателя 25, аналогична описанной работе системы на 0-й позиции, т.е. на данных режимах двигатель работает с отключенной группой цилиндров.

Работа системы при положении переключателя 25, соответствующем III-VIII позиции при любом ("Включено" или "Выключено") положении выключателей 21, 26, 23 и 27, аналогична описанной работе системы при положении этих выключателей "Включено", т. е. на данных режимах двигатель работает при всех включенных цилиндрах, при этом в положении выключателей 21, 26, 23 и 27 "Выключено" электрическое питание на вентиль 9 поступает через замкнутые контакты выключателя 26, а на реле времени 22 через выключатель 27.

Таким образом, при работе двигателя на режимах, превышающих заданный предел (в данном случае II позицию переключателя 25), отключение цилиндров невозможно. Это защищает двигатель от перегрузок, когда для обеспечения заданного скоростного и нагрузочного режима необходима работа на всех цилиндрах.

При работе двигателя на всех цилиндрах нарушение герметичности управляющей магистрали (разрыв трубопровода) либо заклинивание (зависание) подвижной части вентиля 9 управления газораспределительными клапанами приводит к остановке клапанов газораспределения и прекращению газоснабжения цилиндров при продолжающейся подаче топлива в цилиндры, что приводит к перерасходу топлива, повышенному дымлению и возможности гидроудара поршня о крышку цилиндра.

Для исключения этой аварийной ситуации в схему введен датчик 18 перемещений, который своими контактами размыкает цепь питания вентиля 10 и прекращает топливоподачу (контакты реле времени 22 при этом разомкнуты).

Аналогичная аварийная ситуация возникает при работе двигателя с выключенными цилиндрами в случае нарушения герметичности магистрали управления вентилем 10 топливоподачи либо разрушения мембраны механизма отключения, что приводит при неработающих клапанах газораспределения к подаче топлива в цилиндры.

Для исключения этой аварийной ситуации в схему введено реле давления 20, которое в случае отсутствия (снижения ниже заданного предела) давления в управляющей магистрали своими контактами замыкает цепь питания вентиля 9 и обеспечивает тем самым принудительное включение клапанов газораспределения.

Реле времени обеспечивает задержку включения топливоподачи при подключении цилиндров в работу до гарантированного включения газораспределительных клапанов.

Повышение надежности следящего устройства обеспечивается соединением датчика перемещений с подвижным штоком вентиля управления газоснабжением с уменьшенной частотой перемещений, так как изменение положения следящего устройства происходит только при переключении работы системы (в прототипе частота перемещений датчика соответствует частоте вращения двигателя).

Контроль за количеством работающих цилиндров осуществляется сигнальной лампой 24, включение которой информирует об отключении заданных (в данном случае трех) цилиндров.

Соединение (блокировка) выключателей 21, 26, 23 и 27 между собой тягой 29 повышает удобство обслуживания при переключении режимов работы системы.

Вариант системы, представленной на фиг. 2, работает аналогично описанному. Отсутствие многопозиционного переключателя позволяет применить только два выключателя 21 и 23. Данная система может быть использована в силовых установках без контроллера машиниста и обеспечивает включение и отключение заданных цилиндров без автоматической связи с режимом работы двигателя.

Таким образом, предлагаемая система управления двигателем внутреннего сгорания обеспечивает повышение надежности и удобства обслуживания за счет исключения аварийных ситуаций при разгерметизации системы, случайного выключения цилиндров на режимах повышенных нагрузок, автоматического включения всех цилиндров при увеличении скоростного и нагрузочного режимов и контроля за количеством работающих цилиндров.

Формула изобретения

1. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ОТКЛЮЧАЕМЫМИ ЦИЛИНДРАМИ, содержащая гидравлические механизмы отключения газораспределительных клапанов и топливоподачи с управляющими и сливными магистралями, источник давления рабочей жидкости с напорной магистралью, распределительное устройство, связывающее напорную, управляющие и сливные магистрали и связанные между собой, блок задержки, датчик перемещений, источник электрического питания, отличающаяся тем, что система снабжена реле давления, первым и вторым выключателями, сигнальным устройством, распределительное устройство выполнено в виде электрогидравлических вентилей с подвижными штоками, первый из которых подключен к управляющей магистрали механизма отключения газораспределительных клапанов, а второй и реле давления к управляющей магистрали механизмов отключения топливоподачи, блок задержки выполнен в виде электрического реле времени, датчик перемещений соединен с подвижным штоком первого вентиля, к источнику электрического питания подключены первый вентиль через первый выключатель и параллельно через нормально замкнутые контакты реле давления, второй вентиль через нормально замкнутые контакты датчика перемещений и параллельно через нормально замкнутые контакты реле времени, реле времени через второй выключатель, а сигнальное устройство подключено параллельно контактам реле давления, причем в положении выключателей "Включено" контакты первого выключателя замкнуты, а второго разомкнуты.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена третьим и четвертым выключателями, многопозиционным переключателем режимов работы двигателя с подвижным и двумя группами неподвижных контактов, одна из которых подключена через третий и четвертый выключатели соответственно к первому вентилю и реле времени, а подвижный контакт подключен к источнику электрического питания, причем в положении выключателей "Включено" контакты третьего выключателя замкнуты, а четвертого разомкнуты.

3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что выключатели сблокированы между собой тягой.

4. Система по пп.1 3, отличающаяся тем, что сигнальное устройство выполнено в виде электрической лампочки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4