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.

280

cedes Bens на 6(8)- циліндровому чотириклапанному двигуні легкового ав-

томобілю 300 Sh (500 Sh) застосовує КСК, що виробляє залежно від швид-

кохідностей й навантаження двигуна сигнал, по якому повертається кула-

чок розподільного вала для корегування фаз клапанів [1].

Потрібна у різних умовах витрата повітря через компресор забезпе-

чується й регулюванням потужності турбіни шляхом часткового перепуску

випускних газів двигуна в атмосферу мимо турбіни. Такий спосіб (рис. 4.3)

знаходить застосування в КСК як дизелів, так і бензинових автотракторних

ДВЗ.

На рис. 4.6 показана схема підсистеми обвідного керування надду-

вом цього типу з перепускним клапаном, яка може керуватися гідравліч-

ним пристроєм за сигналом датчика p

або за сигналом, що реагує на спів-

відношення p

. За енергетичними показниками цей спосіб поступається

перепуску частини наддувного повітря із компресора, наприклад, у турбі-

ну.

Подібний канал керування наддувом використаний шведською фір-

мою SAAB на автомобільному бензиновому двигуні регулювання p

. Об-

меження p

здійснюється клапаном, що регулює потік відпрацьованих газів

на турбіну ТК перепуском частини потоку мимо турбіни через перепуск-

3 4

Рисунок 4.6 – Схема комп’ютерного блока керування турбонаддувом:

1 – обвідний (перепускний) трубопровід; 2 – керований клапан перепуску;

3 – турбіна; 4 – компресор; 5 – випускний тракт двигуна; 6 –

впускний тракт

двигуна; 7 – датчик тиску наддуву; 8 – електронний пристрій керування

281

ний канал в атмосферу. Останній відкривається при виникненні розря-

дження у впускному трубопроводі, яке, в свою чергу, керується дросель-

ною заслінкою з електроприводом, який отримує командні імпульси від

БСІ за сигналами датчиків p

, детонації й n. Забезпечується динаміка дви-

гуна, наприклад, при швидкому обгоні в умовах інтенсивного руху авто-

мобіля. При цьому швидко переводять двигун на p

max

, тому що детонація у

відносно холодному двигуні (працював на малих навантаженнях) не вини-

кає миттєво. По закінченні кількох секунд, коли збільшаться температури

й почнеться детонація, за сигналом датчика детонації керуючий пристрій

зменшить p

Завершуючи вивчення принципів побудови виконавчих пристроїв

зовнішнього керування наддувом, підкреслимо, що деяке зниження палив-

ної економічності, характерне для цього способу керування на режимах,

близьких до номінального (пов’язане з перерозміреністю ТК й зниженим

його ККД), сповна компенсується зменшенням витрати палива на частко-

вих (розвантажених) режимах й поліпшенням роботи двигуна на режимах

розгону.

Переходимо до виконавчих пристроїв КПСК наддувом, що базують-

ся на внутрішнім керуванні p

Для турбокомпресорів автотракторних двигунів, як вже відзначалося,

запровадження пристроїв автоматичного внутрішнього керування викли-

кає труднощі, оскільки складно забезпечити роботу виконавчих пристроїв

при малих розмірностях як ТК так і елементів його регулювання.

Мабуть, в таких випадках доречно шукати варіанти, що поєднують

переваги схем зовнішнього й внутрішнього керування наддувом, тобто

способи (і заходи) деформації (коригування) характеристик лопатних ма-

шин без змін їхніх проточних елементів або за рахунок зміни режимів їх

роботи. Приклад – регулювання ТК зміною ступеня імпульсності або пар-

ціальності турбін. У такому випадку конструкція виконавчого пристрою

дещо спрощується, отже підвищується надійність його роботи при достат-

ньо високій ефективності системи керування за різних умов експлуатації.

Розглянемо конструктивні особливості виконавчих пристроїв КПСК

з внутрішнім регулюванням ТК, виділяючи, як і раніш, питання ефектив-

ності (енергетичної) і надійності кожного з них.

282

Використовуються компресори з керуванням лопатками вхідного на-

прямного апарата для забезпечення потрібної витрати повітря відповідно

до програми зміни коефіцієнта надлишку повітря a на режимах робочих

характеристик двигуна. При такому керуванні змінюється не тільки прохі-

дний переріз компресора, а й закрутка потоку на вході, що змінює напір

компресора, тобто p

, що, власне, являється є метою керування.

Конструктивний варіант виконавчого пристрою КПСК наддувом у

вигляді напрямного апарата з поворотними лопатками показаний на рис.

4.7; подібні пристрої зустрічаються на тепловозних, судових дизелях.

Розроблені також компресори з регулюванням прохідного перерізу

компресора іншим способом – поворотом лопаток його дифузора. При

цьому характеристика компресора

зміщується у бік потрібної витрати

повітря. Запропоновані різні вико-

навчі пристрої для повороту лопаток

дифузора (рис. 4.8). У ряді конструк-

цій передбачено сумісне повертання

й тих чи інших лопаток одночасно.

Ефективність таких виконавчих

пристроїв сучасних КПСК наддувом

двигунів очевидна із рис. 4.9, де G –

відносна витрата повітря на нерозра-

хунковому режимі (відношення пото-

чної витрати повітря до такої витрати

на розрахунковому режимі). При

Рисунок 4.7 – Конструкція

виконавчого пристрою

напрямного апарата

компресора з поворотом

лопаток:

1 – роликопідшипник; 2 –

лімб;

3 – зубчастий вінець; 4- важіль;

5 – втулка; 6 –

поворотна

лопатка

Рисунок 4.8 –

Дифузор з

поворотними лопатками:

1,2 – торці; 3 – поворотні лопатки

283

цьому поточний і розрахунковий режими визначаються відповідними по-

ложеннями поворотних лопаток. Бачимо, що регулювання компресора су-

місним поворотом лопаток вхідного напрямного апарата і дифузора значно

розширює його робочий діапазон й, безумовно, вигідніше, ніж інші спосо-

би керування, визначені кривими 1 та 2. Таке керування застосовується на

форсованих дизелях транспортного типу.

Автоматизація роботи виконавчих пристроїв повороту лопаток на-

прямного апарата або дифузора компресора здійснюється по-різному. Але,

звичайно, керування поворотом лопаток здійснюється спеціальним важі-

льно – шарнірним механізмом з приводом від повітряних (мастильних)

циліндрів за сигналами клапана чутливого елемента, що реагує на зміну

тиску наддуву.

Ряд фірм (США та ін.) використовують додаткові легко керовані ви-

конавчі пристрої, що сприяють внутрішньому керуванню компресорів у

різних кліматичних умовах. Прикладом може служити пристрій на

рис. 4.10. Турбокомпресор з прямолінійним всмоктувальним трубопрово-

дом 2 має заслінку 3. поміж цією заслінкою і колесом 1 компресора вико-

нана кільцева щілина 4 з розміщеними у ній тангенціальними лопатками.

Щілина поєднує всмоктувальний отвір колеса 1 з атмосферою крізь канали

(що звужуються), розташовані між лопатками. Якщо заслінка 3 відкрита,

то опір всмоктувального трубопроводу значно менший, ніж опір каналів;

повітря надходить на колесо 1 по прямолінійному каналу. При закритій за-

слінці повітря проходить крізь тангенціальні канали, закручуючись; при

неповному перекритті всмоктувального трубопроводу заслінкою повітря

до компресора частково заходить по прямолінійному трубопроводу, а час-

Рисунок 4.9 – Зміна параметрів компресора в

залежності від способу його керування:

1 – поворот лопаток дифузора у діапазоні 2°30¢ –

23°30¢

2 – поворот лопаток вхідного напрямного апарата в

діапазоні 60-114°;

3 – одночасний поворот лопаток дифузора і

вхідного напрямного апарата

0,9

1,0

1,1

2,4

2,6

284

тково через тангенціальний канал, й інтенсивність його закрутки залежить

від положення керованою КПСК заслінки. Тобто, повертаючи заслінку,

можна керувати ступенем закрутки потоку повітря, таким чином змінюва-

ти тиск наддуву p

Крім внутрішнього регулювання компресора для узгодження харак-

теристик двигуна й ТК, в КПСК наддувом застосовують і внутрішнє регу-

лювання турбіни.

З теорії лопатних машин відомо, що витрата газу через турбіну (їй

пропорційна потужність турбіни) може керуватися зміною ступеню парці-

альності, висоти соплового каналу (лопаток) або кута виходу потоку газів

із соплового апарата, що широко застосовується у різних конструкціях ви-

конавчих пристроїв КПСК наддувом, які використовують внутрішнє регу-

лювання турбін.

Пристрої регулювання ступеня парціальності дозволяють відключати

частину соплового апарата конкретної турбіни; при постановці на двигун

двох турбін можна при зміні умов експлуатації відключити один з них,

змінюючи тим самим тиск наддуву.

На рис. 4.11 показана сучасна схема парціального регулювання тур-

біни ТК потужного тракторного дизеля; таку схему використовують фірми

Німеччини, США та ін.

Рисунок 4.10 – Виконуючий пристрій для закрутки повітря

на вході в компресор наддуву

285

Поділений на сектори (групи) сопловий апарат турбіни поєднаний з

випускним колектором 9 каналами 7 і 8. При цьому канал 7 – наскрізний, а

8 – тупиковий. Другий тупиковий канал 6 зв’язаний з колектором 9. У пе-

регородці 4 поміж каналами встановлено клапани 3 та 5, розміщені на за-

гальному штоці 1 з електромагнітним приводом 2, який керується за сиг-

налами датчика тиску наддуву. Якщо, наприклад, треба знизити тиск над-

дуву (відповідно програми забезпечення a на експлуатаційних режимах),

то з ростом тиску наддуву шток переміщується й клапан 3 поєднує між со-

бою тупикові канали 6 та 8; гази з колектора виходять по двох каналах 7 і 8

до обох груп сопел турбіни з меншою швидкістю потоків; розкрутка турбі-

ни (й тиск наддуву) зменшується. Недолік такого виконавчого пристрою

КПСК повітропостачанням – зменшення ККД турбіни у випадку парціаль-

ного підводу газу.

Керування наддувом шляхом зміни висоти лопаток соплового апара-

та використовують в КПСК транспортних двигунів з доцентровими турбі-

нами. Витрата газу через турбіну змінюється пропорційно висоті лопаток;

на відміну від дросельного регулювання турбіни використовується більша

Рисунок 4.11 – Виконуючий пристрій –

перехідник для

перекриття груп сопел турбіни

286

частина кінетичної енергії газу, забезпечується ліпша рівномірність пото-

ку, ніж при керуванні зміною ступеня парціальності. Таким чином, керу-

вання наддувом за рахунок зміни висоти лопаток соплового апарата більш

ощадливо.

В одному з конструктивних варіантів виконавчого пристрою парціа-

льного керування турбіною ( рис. 4.12,а) її сопловий апарат розділено пе-

регородкою по висоті.

Рисунок 4.12 – Схеми керування

доцентрової турбіни зміною

висоти соплового апарата:

а – ступінчасте; б – безступінчасте;

1 – клапан; 2 – нерухома перегородка;

3, 4 – канали підводу газу до частин

соплового апарата; 5 – рухома

перегородка

Газ подається в турбіну по двох трубах 3, 4 до обох половин сопло-

вого апарата або через одну трубу тільки до половини соплового апарата

(якщо клапан закривається по командним сигналом у залежно від запрог-

рамованого значення p

на конкретному режимі експлуатації). У другому

випадку (рис. 4.12,б) рухома перегородка 5 плавно змінює висоту соплово-

го каналу відповідно до програми керування наддувом.

В КПСК повітропостачанням все ширше використовується принцип

керування турбіною шляхом зміни кута a

виходу потоку газів із соплового

апарата.

Конструктивно його здійснюють поворотом лопаток соплового апа-

рата за допомогою автоматичного виконавчого пристрою за сигналами

датчика тиску наддувного повітря. Такий спосіб використовують як в

осьових так і в доцентрових турбінах, причому в останніх простіше засто-

сувати схему соплового апарата з поворотними лопатками. Турбіни з керу-

ванням на основі зміни кута a

називаються турбінами з керованим сопло-

вим апаратом. При повороті соплових лопаток змінюється витрата газу в

результаті зміни прохідних перерізів турбіни, що в кінцевому підсумку,

впливає на тиск наддуву.

а б

287

На рис 4.13, 4.14 показані конструктивні варіанти турбін із поворот-

ними лопатками.

Виконавчий пристрій у вигляді групового приводу є типовим для

більшості КПСК наддувом швидкохідних двигунів за рахунок повороту

соплових лопаток ТК. За допомогою важеля виконавчого механізму (при-

вода), керованого за сигналами датчика тиску наддуву, повертається кільце

– синхронізатор, тягнучи кулісу (рис. 4.12), яка, переміщаючись, повертає

соплову лопатку навколо осі. Залежно від повороту лопаток змінюється

прохідний переріз соплового апарата, причому різниця поміж максималь-

ним і мінімальним значеннями прохідного перерізу може становити до

40 %, що гарантує потрібний діапазон зміни p

при суттєвій зміні режиму

експлуатації двигуна. Для середньообертових (тепловозних, судових) ди-

зелів частіше використовують варіант керованого соплового апарата, який

показано на рис. 4.13 (турбокомпресор типу ТКР-40); корпус виконавчого

пристрою повороту лопаток має водяне охолодження, що збільшує надій-

ність та стабільність роботи КПСК наддувом.

Рисунок 4.13 – Виконавчий пристрій керування сопловим апаратом

доцентрової турбіни з груповим приводом поворотних лопаток дизеля

вантажного автомобіля х безпосереднім вприскуванням фірми Isuzy, Японія

(S/D = 145/120):

1 – ротор турбіни; 2 – соплова лопатка; 3 – куліса керування поворотом лопаток;

4 – поворотне кільце – синхронізатор; 5 – важіль приводу кільця –синхронізатора;

6 – керований привід повороту лопаток; 7 – вісі повороту лопаток

288

На швидкохідних малорозмірних дизелях (легкових автомобілів, ма-

лопотужних тракторів) використовують турбіни ТК з безлопатними сопло-

вими апаратами. Можливе внутрішнє керування й цих турбін (рис. 4.14),

наприклад, переміщенням профільованої перегородки у порожнині газо-

приймального патрубку. При цьому змінюється переріз проточної його ча-

стини. Зменшення перерізу при незмінності ступеня зниження тиску на ту-

рбіні p

зменшує ступінь реактивності турбіни, кут a

й витрату газу через

неї, тобто – тиск наддуву t

Рисунок 4.14 – Виконуючий пристрій

для соплового керування центростри-

мкої турбіни середньо обертового

дизеля:

1 – поворотна лопатка; 2- турбіне колесо;

3- ось поворотної лопатки; 4- важіль;

5- тяга від приводу з комп’ютерним

керуванням

На рис. 4.15 зображена радіальна

турбіна тракторного двигуна з керова-

ним прохідним перерізом підвідного

завитка. Керування натягуванням (й

профілем) стрічкової ширми 1 завитка 2

здійснюється виконавчим механізмом,

який діє на тягу 3 залежно від тиску

наддуву (або співвідношення p

Відзначимо, що для кращого уз-

годження режимів роботи ТК та двигу-

на при високому форсуванні останньо-

го за середнім ефективним тиском (літ-

ровій потужності) з метою забезпечен-

ня більшого коефіцієнта пристосування

Рисунок 4.15 – Радіальна турбіна

ТК з безлопатним напрямним

апаратом й керованим прохідним

перерізом завитка

289

й поліпшення середньоексплуатаційної паливної економічності одночасно

використовується керування компресором і турбіною.

У таких випадках при зміні режимів роботи ТК працює з найбільшим

ККД h

тк

З урахуванням висловленої раніше думки про тісний взаємозв’язок

паливо- та повітроподачі в ДВЗ, слід мати на увазі, що електронні вико-

навчі пристрої, як і самі КПСК повітропостачанням, є, як правило, не-

від’ємною частиною всієї КСК двигуном, як і КПСК паливоподачею. Такі

КСК розглядатимуться в наступній главі, хоча їх приклади вже розгляда-

лися вище на схемному рівні.

На закінчення розглянемо напрямок поліпшення наповнення повіт-

рям циліндрів двигуна з наддувом, не пов’язаний з лопатними машинами.

Відомі фірми ведуть перспективні розробки щодо вирішення цієї

проблеми за рахунок кардинальної зміни конструкції механізму газорозпо-

ділу та електронізації керування його фазами.

Саме електронізація дозволила реалізувати керування цими фазами

на кожному експлуатаційному режимі, що практично неможливо при жор-

сткому зв’язку між колінчастим й розподільним валами, як на традиційних

двигунах. У результаті вирішується задача оптимізації фаз газорозподілу

залежно від впливу багатьох факторів. Виконавчі пристрої КПСК паливо-

подачею мають багато спільного з такими пристроями керування газороз-

подільними клапанами. Так, соленоїди підйому цих клапанів отримують

імпульси від датчика аналогічно імпульсу на підйом клапана електромагні-

тної форсунки паливоподачі.

При переході на електронне керування клапанами газорозподілу від-

падає необхідність дроселя на впуску, можна відмовитися взагалі від меха-

нізму газорозподілу й проміжних елементів механічного приводу клапанів.

Відповідно, фази газорозподілу можуть бути оптимально встановлені за

сигналами датчиків g

, N

, n та ін. на кожному експлуатаційному режимі.

Видано численні патенти на засоби електронного керування газорозподі-

лом [7].