Марченко А.П., Рязанцев М.К., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників у 6 томах. Том 3. Комп’ютерні системи керування ДВЗ

Подождите немного. Документ загружается.

200

17 – виконавчий механізм (соленоїдний привід) для перетворення

вихідних сигналів від ЕР у механічний рух керованої рейки ПНВТ. Вико-

навчий механізм закріплено на паливному насосі (він пересуває керовану

рейку за допомогою лінійного соленоїда).

ЕР використовує цифрові технології. Схема електричних кіл елект-

ронного регулятора показана на рис. 3.74.

Перейдемо до вітчизняної розробки ЕР [23].

Фахівцями Харківського КБ з двигунобудування (ХКБД) та науково-

виробничого підприємства “ТОР” уперше в Україні було створено й упро-

ваджено мікропроцесорний регулятор n та N

для дизель-генераторної

установки дизель-потягу ДЕЛ-01 виробництва холдингової компанії “Лу-

Рисунок 3.72 – Функціональна схема електронного регулятора фірми

Bosch

1 – паливний бак; 2 – паливоподавальний насос низького тиску; 3 – паливний

фільтр; 4 – рядний ПНВТ; 5 – електричний пристрій зупинки двигуна; 6 – датчик

температури палива; 7 – датчик ходу рійки; 8 – виконавчий механізм з соленоїдом

лінійного переміщення; 9 – датчик обертів ПНВТ; 10 – форсунка; 11 – датчик

температури охолоджувальної рідини; 12 – датчик на педалі акселератора; 13 –

вимикачі гальм, стояночного гальма, зчеплення; 14 – робоча панель; 15 – контроль-

на лампа та підключення для діагностики; 16 –

тахограф або датчик швидкості

автомобіля; 17 – БСІ (електронний блок керування); 18 – датчик температури

повітря; 19 – датчик тиску повітря для наддуву; 20 – турбокомпресор для надду-

ву; 21 – акумулятор; 22 – вимикач стартера й накальник свічок

201

ганськтепловоз”. Розробки проводилися з 1994 року і ведуться й сьогодні

згідно з програмою розвитку залізничного транспорту України.

Особливістю цього ЕР є те, що він практично повністю створений на

елементній базі українського виробництва.

Рисунок 3.73 – Блоки електронного регулятора:

1 – датчики: 2 – датчик тиску повітря для наддуву; 3 – температурні датчики

(охолоджувальна рідина, повітря, паливо); 4 – датчик обертів ПНВТ; 5 – устано-

вочний сигнал обертів; 6 – датчик ходу рейки ПНВТ; 7 – датчик швидкості авто-

мобіля; 8 – генератори зовнішніх впливів; 9 – датчик на педалі акселератора; 10 –

робоча панель (оберти двигуна, проміжні оберти); 11 – вимикачі гальм, зупиночно-

го гальма, зчеплення; 12 – БСІ (блок керування): 13 –

кількість вприскнутого

палива; 14 – зупинка; 15 – мікропроцесор; 16 – бази даних, криві характеристик; 17

– приводи; 18 – ПНВТ; 19 – діагностичний блок; 20 – КСК автомобіля; 21

– надходження даних; 22 – перевищення паливоподачі; 23 – програмуван-

ня варіантів; 24 – пристрій програмування (тільки для програми даних)

202

При розробці автори керувалися такими основними вимогами:

▲ надійність та стабільність – на сучасному рівні;

▲ підвищення паливної економічності дизеля та його екологічних

показників;

▲ зниження вартості та строку окупності.

Враховуючи, що строк служби транспортного засобу на залізниці

перевищує 10 років, зрозуміла вагомість забезпечення надійніших характе-

ристик обладнання для ЕР.

Для ЕР було створено оригінальний швидкодіючий електрогідравлі-

чний виконавчий механізм переміщення рейок паливних насосів. У його

Рисунок 3.74 – Керувальні кола ЕР:

акт

– дійсна кількість обертів ПНВТ; n

set

– установочне значення обертів ПНВТ;

– тиск повітря наддуву; h

act

– дійсний хід рейки; h

set

–

установочне значення ходу

рейки; h – сигнал про дійсний хід рейки; t

пал

– температура палива; t

–

температура

повітря; t

охл

– температура охолоджуючої рідини; V

акт

– дійсна швидкість

автомобіля; V

set

– установочне значення швидкості автомобіля;

1 – паливо; 2 – увімкнення / вимикання пристрою зупинки двигуна; 3 –

рядний

ПНВТ; 4 – механізм приводу; 5 – температура палива; 6 – форсунка; 7 –

БСІ;

8 –установка педалі акселератора; 9 – надлишкова кількість палива; 10 –

гальма,

стояночне гальмо; 11 – зчеплення; 12 – робоча панель (V

set

); 13 – повітря; 14 –

керування положенням рейки; 15 – керування кількістю палива при запуску; 16 –

керування g

; 17 – контролер швидкості автомобіля; 18 – керування холостим ходом

/ проміжними обертами; 19 – вихід сигналу на дозування паливоподачі; 20 –

двигун

та автомобіль

203

конструкції використано як підсилювач елементи серійного, відпрацьова-

ного роками й дуже надійного гідравлічного регулятора. Як керувальний

елемент застосовано малопотужний електровиконавчий двигун ЕВД (акту-

атор). Таке рішення дозволяє суттєво знизити вартість виконавчого механі-

зму практично при зберіганні його надійнісних показників та керованості

на рівні будь-якого транспортного дизеля. У розроблену концепцію впи-

суються малопотужні актуатори як українського, так і зарубіжного вироб-

ництва.

Створений ЕР реалізує такі основні функції:

· дистанційний пуск і роботу дизеля в режимі х.х.;

· дистанційне керування режимами роботи дизеля залежно від по-

ложення контролера машиніста;

· підтримання з точністю до 1 % частоти обертання n дизеля й фо-

рмування логіки керування частотою;

· керування перехідними процесами (формування сповільнення

виставлення частоти за позиціями контролера при розгонах і гальмуван-

нях);

· забезпечення аварійної зупинки дизеля;

· формування оптимальної навантажувальної характеристики ди-

зеля за умовами найкращої паливної економічності й логіки забезпечення

роботи дизеля на даній характеристиці (для керування генератором);

· організація режимів самотестування та діагностування.

Слід відзначити, що наведені вимоги є жорсткими.

БСІ (мікропроцесорний блок) електронного регулятора частоти і по-

тужності містить ряд функціональних вузлів (рис. 3.75).

Взагалі ЕР має два контури керування – частоти й потужності. У ко-

нтурі частоти реалізовано ПІД-алгоритм керування, а в контурі потужнос-

ті – ПІ-алгоритм керування. Аналіз результатів модельних, моторних та

експлуатаційних випробувань на борту дизель-потяга з перевірки налаго-

дження кожного з контурів ЕР окремо та у спільній роботі дозволив обрати

параметри ЕР (ПІД та ПІ законів керування, час уповільнення установки n

та ін.), які забезпечують потрібні показники якості.

204

Так, на осцилограмах (рис. 3.76, 3.77) бачимо, що обрані параметри

ПІД закону керування n та введення уповільнення щодо установки цієї ча-

стоти дозволили реалізувати перехідні процеси (розгону й гальмування)

поміж холостим ходом і навантаженням практично без перерегулювання з

заданим темпом. При цьому вдалося уникнути виходів рейок на зовнішню

характеристику (крім режиму номінальної потужності) і тим самим знизи-

ти динамічність у перехідному процесі.

Зниження експлуатаційної витрати палива становить 6–8 %, що за-

безпечує ЕР за рахунок:

кращої якості перехідних процесів;

зниження n

хх

на 10–20 %;

Рисунок 3.75 –

Функціональна схема ЕР частоти і потужності для

дизель-генератора (ДГ) дизель-потягу ДЕЛ-1 [23]:

а – від пульта керування дизель-агрегатом; б – формування напруги живлення; в –

до блока керування пуском; 1 – введення

дискретних команд керування режимами

роботи ДГ від пульта керування; 2- введення

імпульсного сигналу датчика частоти

обертання n; 3 – введення й перетворення сигналу датчика положення рейки палив-

ного насоса; 4 – введення

дискретних сигналів аварійної зупинки дизеля від датчиків

мінімального тиску масла й “Пожежа”; 5 – вузол обробки вхідних сигналів та

формування керуючих дій; 6 – виведення

дискретної інформації про режими роботи

дизеля, щодо причини аварійної зупинки ДГ та від сигналів керування пуском; 7 – ви-

ведення аналогового сигналу про резерв потужності дизеля; 8 – виведення

сигналу

керування малопотужним акумулятором; 9 –

сполучення з зовнішнім діагностичним

пристроєм; 10 – сполучення з комп’ютером

АКТУАТОР

205

примусового переведення дизеля в зону найкращої економічнос-

ті.

До інших переваг ЕР слід віднести:

▲ розширення кількості автоматично керованих параметрів;

▲ відсутність практично розрегулювань параметрів дизеля за наяв-

ності датчиків зворотних зв’язків (положення рейки ПНВТ тощо);

▲ зниження рівнів токсичності та шуму дизеля.

Рисунок 3.76 – Розгін і гальмування дизеля з ЕР під на

вантаженням з

уповільненням команди керування в перехідному процесі:

n – частота обертання колінчастого вала (хв

–1

); h – положення рейок ПНВТ

h=10,2 мм

мм

n = 2200

h=8,6 мм

2 c

900

h=5,4 мм

h=4,7 мм

900

Рисунок 3.77 –

Розгін та гальмування дизеля з ЕР на холостому ході з

уповільненням команди керування в перехідному процесі:

n – частота обертання колінчастого вала (хв

–1

); h – положення рейок ПНВТ

h=4,2 мм

мм

n = 2200

h=3 мм

2 c

900

мм

h=4 мм

n = 900

206

Важливими показниками при упровадженні ЕР частоти обертання та

потужності є його ціна і строк окупності. На практиці вартість серійної си-

стеми регулювання не повинна перевищувати 10–15 % вартості дизеля;

строк окупності має займати 1–1,5 роки. Розроблений ЕР задовольняє ці

критерії і є суттєво дешевшим за іноземні аналоги.

Таким чином, досвід експлуатації ЕР доводить, що він є важливим

засобом поліпшення експлуатаційних якостей тепловозних дизелів і суттє-

во підвищує їхню конкурентоспроможність на внутрішньому та зовніш-

ньому ринках збуту.

Нарешті, підкреслимо, що саме ця розробка продемонструвала мож-

ливість і реальність керування перехідними процесами дизеля й досягнен-

ня на такій основі значного економічного ефекту.

Становить інтерес розробка ВАТ “Саратовдизельапарат” (Росія) ЕР

частоти обертання колінчастого вала для судових і промислових дизель-

генераторів. Ведеться серійний випуск цих регуляторів [26].

Зазначений регулятор складається з електронних блоків, датчиків та

виконавчого пристрою 3.78. Базовий блок призначено для регулювання n.

У ньому здійснюється обробка сигналів датчика частоти обертання колін-

частого вала дизеля, задатчика стартових імпульсів і формується сигнал

керування, який надходить на вхід виконавчого пристрою. Блок забезпечує

пропорційно-інтегральний закон регулювання частоти обертання n. Перед-

бачено регулювання пропорційного й інтегрального коефіцієнтів (їх коре-

гування), що дозволяє виконати настройку блока (за якістю перехідного

процесу). Регулювання n може здійснюватися як за статичною, так і за ас-

татичною характеристиками; перемикання з астатичного на статичний ре-

жим здійснюється з пульта керування.

Блок вимірювання потужності служить для розподілення наванта-

ження при паралельній роботі дизель-генератора. У даному блоці викону-

ється обробка сигналів датчиків сили струму і напруги, а потім виробля-

ється команда керування, яка надходить на вхід зміни подачі палива базо-

вого блока. Розподілення навантажень може здійснюватися у будь-якій

пропорції за статичною або астатичною характеристиками. Використаний

принцип розподілу навантажень функції активної потужності виключає

вплив теплового та експлуатаційного станів дизеля.

207

Блок синхронізації забезпечує автоматичне введення дизель-

генератора у паралельну роботу з іншим двигуном або мережею, при цьо-

му час синхронізації складає не більше п’яти секунд.

Блок автоматики забезпечує видачу на табло індикації сигналів щодо

чотирьох фіксованих значень n, а також керування клапаном подачі додат-

кового продувального повітря. Датчик n виробляє електричний сигнал з

частотою, пропорційною n. Датчик може обладнуватись поблизу будь-якої

шестірні дизеля, що обертається з частотою, кратною n.

Виконавчий пристій здійснює переміщення рейки ТНВТ за законом

керування, що формується базовим блоком. Підключення генератора до

мережі (його живлення) здійснюється контактом, що приводиться вико-

навчим електромагнітом.

Використання ЕР дозволило значно розширити функції дизель-

генератора. Суттєво поліпшується якість перехідних процесів при коли-

ваннях навантаження, інших змінах зовнішніх умов.

Виявлено економію палива у 2–3 % при роботі дизеля з ЕР. Вона

отримується за рахунок зменшення забросів n та часу, що припадає на не-

усталені режими (рис. 3.79, а, б). Цей ЕР пройшов успішні випробування

Рисунок 3.78 – Функціональна схема ЕР частоти обертання n

судового

дизель-генератора АДГ-1000 [24]:

ВП – виконавчий пристрій; ДЧО – датчик частоти обертів; З – задатчик

ВП

ПНВТ ДИЗЕЛЬ

ГЕНЕРАТОР

ЕМЗ

ПЗ

ДЧО

БАЗОВИЙ БЛОК

БЛОК ВИМІРЮВАН-

НЯ ПОТУЖНОСТІ

БЛОК

СИНХРОНІЗАЦІЇ

БЛОК АВТОМАТИКИ

ТАБ-

ЛО

ІНДИ-

КАЦІЇ

ПУЛЬТ КЕРУВАННЯ

ВИКОНАВ-

ЧИЙ ЕЛЕК-

ТРОМАГНІТ

маховик

208

на АТ “Турбомоторний завод” (Росія) і сьогодні експлуатується у складі

судових дизель-генераторних установок АДГ-1000.

Особливий інтерес викликають електронні регулятори для дизелів з

ПНВТ розподільного типу. Такі паливні насоси позбавлені головного не-

доліка рядних насосів: переставні зусилля на переміщення дозаторів пали-

ва у них є мінімальними, що суттєво спрощує розробку ЕР. Другою пере-

вагою розподільного ПНВТ є суттєве зменшення кількості рухомих дета-

лей, що позитивно впливає на його надійність. Це зрозуміло, оскільки роз-

подільний насос має тільки один плунжерно-втулочний комплект для жив-

лення кількох циліндрів. Плунжер не тільки створює потрібний тиск пали-

ва під час його робочого ходу, але однозначно, обертаючись, розподіляє

його за окремими вихідними отворами, тобто – за циліндрами.

Рисунок 3.79 – Тахограми дизель-генератора (дизель 4Ч 10,5х13) з ЕР (а) та

гідромеханічним регулятором швидкості (б)

= 1,8 с

= 1 с

= 1,8 с

= 3,1 с

= 3,6 с

= 3,6 %

0,7 %

= 3,4 %

= 8,5 %

1,0 %

=7,6 %

209

Найбільш сучасним варіантом такого ЕР є модель VP-44 фірми Bosch

[22], що використовується на останніх модифікаціях дизелів Opel-Ecotec та

Audi.

При n = 4200 хв

–1

тиск нагнітання і ПНВТ сягає 100 МПа, а тиск у

форсунках – 130–150 МПа і навіть 180 МПа. Це спростовує застарілу точку

зору, ніби розподільні ПНВТ не спроможні забезпечити тиск вприскуван-

ня, більший 60–80 МПа.

Функціональна схема ЕР з цим ПНВТ наведена на рис. 3.80.

Електронний блок складається з блока керування ПНВТ та БСІ.

Кінцеві каскади живлення електромагнітів розміщуються на корпусі

ПНВТ.

Конструкцію ЕР показано на рис. 3.81

Кулачкова шайба за поводок може повертатися в корпусі для керу-

вання КВВ; його межі помітно ширші та ті, що раніше застосовувалися: до

20° по валу ПНВТ.

Як виконавчі механізми у ПНВТ рис. 3.80 вбудовано два клапани з

електромагнітним приводом, у тому числі індукційний для вимірювань

миттєвої частоти n та грубої (приблизної) оцінки положення колінвала.

Перший сигнал (щодо n) дозволяє діагностувати потужність кожного ци-

ліндра дизеля, другий – здійснювати фазування вприскування при роботі

за резервними програмами керування. Більш точно, з похибкою лише

1 град. П.К.В., фазу вприскування визначають за сигналом датчика 13 (див.

рис. 3.80). Посилення сигналу з датчика забезпечують розташовані у пер-

пендикулярній площині два підковоподібні магніти. Підмагнічування ста-

ло необхідним тому, що магнітна проникність палива у 20 разів вища, ніж

повітря.

Наведені приклади переконують, що ЕР підтвердив такі суттєві та

реальні переваги при використанні на сучасних дизелях різних призначень:

· двигун може запускатися та зупинятися за допомогою ключа;

· вільний вибір зовнішніх швидкісних характеристик;

· максимальна кількість вприскнутого палива точно скоординована з

тиском наддуву для дотримання норм на димність;

· можливість коректировки паливоподачі залежно від температур по-

вітря і палива;