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.

320

Її особливістю є застосування одночасно СГТ та парової турбіни

(ПТ) для приводу компресора наддуву. Застосована додаткова утилізаційна

КЗ, задача якої – підтримання потрібного режиму роботи ПТ. Принципо-

вим є й те, що разом утилізуються два потоки теплоти – від ВГ й охоло-

джувальної рідини. Принципово й те, що теплоту від конденсату пристрою

утилізації відводять за допомогою навколишнього середовища, тобто за-

лежно від зовнішніх умов експлуатації трактора.

5.3.2. Оцінка ефективності утилізації теплоти в КДВЗ

Для такої оцінки застосовують співвідношення, що випливають з

першого й другого законів термодинаміки.

Перший закон дозволяє сформулювати співвідношення теплових ба-

лансів у схемі КДВЗ, а другий – співвідношення працездатностей потоків

енергії у тій схемі. Останнє поясняє справжні (реальні) резерви підвищен-

ня ефективності роботи схеми утилізації КДВЗ.

Проведемо такі оцінки. При цьому енергетичні потоки розглядають-

ся як такі, що містять ексергію (працездатність) частки, відповідно, тепло-

Рисунок 5.20 –

Схема турбокомпаундного КДВЗ з силовими газовою й

паровою турбінами:

Н – нагнітач; ПТ – парова турбіна; СГТ – силова газова турбіна; УКЗ – утилізаційна

камера згоряння; ПГ – парогенератор; К – кондиціонер; НЖ – насос живлення; Р –

регенератор; ТВ – теплообмінник водяний; ОНП – охолоджувач наддувного

повітря; ВК – вентилятор системи тепловідводу парового робочого циклу

321

ти Е

, ентальпії Е та внутрішньої енергії Е

й непрацездатні частки (анер-

гію) А

, А, А

, коли

AЕQ

;

(5.1)

AЕU

де Q, H та U – відповідно теплота, ентальпія й внутрішня енергія.

Звідси випливає енергетичний баланс КДВЗ на основі ексергетичних

показників, що оцінюють працездатність потоків енергії:

(

)

ее

охнпвг

1 , (5.2)

де h

– ефективний ККД КДВЗ; е – відносна працездатна частка енергії;

d – відносна втрата енергії.

Індекси ВГ, НП, ОХ відповідно відмічають відпрацьовані гази, над-

дувне повітря, охолоджувальну воду.

Ефективність утилізації в КДВЗ обумовлена втратами енергії у вуз-

лах дизеля.

Резерви утилізаційного контуру КДВЗ залежать від величини

(

)

ее

охнпвг

Треба враховувати, що робочий цикл комбінованого ДВЗ з утилізаці-

єю є бінарним циклом, тобто таким, де присутні два робочі цикли теплових

двигунів – основний та додатковий, причому додатковий цикл утилізує

теплоту основного.

Може бути проведена оцінка ефективності утилізації в КДВЗ за ек-

сергетичним його ККД на основі урахування втрат ексергії у всіх термоди-

намічних вузлах КДВЗ з утилізацією.

Для потреб настройки КБК утилізацією скинутої теплоти достатньо

користуватися формулою для такої КДВЗ:

ч.у

в.в.тс.г.т

ч.у

NNN

= (5.3)

де у – індекс, відмічаючий енергетичну установку;

, N

с.г.т

, N

в.в.т

– відповідні потужності: ефективна КДВЗ, силової газової

турбіни; вторинного використання скинутої теплоти.

322

Складові співвідношення (5.3) обчислюються за відомими формула-

ми для КДВЗ, СГТ й утилізаційного контуру [9, 10].

5.3.3. Побудова КБК утилізацією скинутої теплоти у КДВЗ

Мова йде про керування паросиловими контурами, наведеними на

рис.5.20.

Перш за все треба обґрунтовано вибрати схему та параметри утилі-

заційного контуру КДВЗ на основі залежностей (5.1), (5.2), (5.3).

Далі необхідно скласти програму керування для КБК утилізацією,

керуючись математичною моделлю. Така програма використовується для

настройки цього КБК на оптимальні ефекти від утилізації залежно від ре-

жиму роботи КДВЗ. Настройка починається, природно, з вибору раціона-

льного командного параметра, підхід до якого наведений у гл. 2.

У нашому випадку слід вибрати за командний параметр ефективної

роботи контуру утилізації КДВЗ рівень N

в.в.т

при обмеженні за токсичністю

викидів, оскільки чим нижче цей рівень, тим менше ефективність процесу

утилізації енергії ВГ.

Можна обрати за командний параметр співвідношення (р/Т)

вг

, але це

не зовсім коректно, тому що треба ще враховувати й масу ВГ.

Проблема реалізації N

в.в.т

як командного параметра КБК утилізацією

скинутої теплоти у КДВЗ не є простою в тому, що стосується вимірювань

потужності утилізаційного контуру. Тому можна обмежитися використан-

ням вхідних параметрів парової силової турбіни (на виході з цього конту-

ру), наприклад, тиску й температури пари, тобто співвідношення (р/Т)

пари

що реалізуватиметься достатньо просто.

Треба, нарешті, вирішити питання щодо запровадження адаптивного

каналу керування утилізацією скинутої теплоти у КДВЗ, тому що настрой-

ка такої КДВЗ виходить із жорсткої програми керування утилізацією, а в

експлуатації силової установки з комбінованим двигуном можуть виника-

ти випадкові ситуації відхилення від означеної програми, наприклад, коли

зменшується потреба у запрограмованому збільшенні додатку потужності

силової утилізаційної потужності до колінчастого вала КДВЗ. Такий адап-

тивний канал КБК утилізацією нічим не відрізняється від аналогічних ка-

налів КПСК паливо- повітропостачанням при адаптації дизеля за N

, про

що детально розповідалося вище у гл. 3, 4.

323

Запропоновані схеми керування роботою елементів утилізаційного

контуру КДВЗ показані на рис.5.21, 5.22, 5.23, 5.24. Всі вони й складають

комп’ютерний блок керування вторинним використанням теплоти (утилі-

зацією) ВГ.

КБК у такому складі забезпечує:

· перепуск ВГ мимо парогенератора (рис. 5.21) на режимах холос-

того ходу й малих навантажень відповідно до задавальних сигналів, що

регламентує роботу заслінки ВГ залежно від положення рейки ПНВТ.

Газова заслінка ЗВГ відключає парогенератор також і при аварійному під-

вищенні тиску робочого тіла після парогенератора, що функціонально по-

требує додаткового сигналу Д;

Рисунок 5.21 – Принципова схема

комп’ютерного блока керування

утилізаційного контуру автотранспортного

КДВЗ (частина перша):

m – задавальний сигнал положення рейки ПНВТ;

РВГ – регулятор витрати ВГ; П – перегрівач пару;

ЗВГ – заслінка ВГ; Д – задавальні сигнали;

В – випарювач; Е – економайзер; h=h

; h¢

; h¢¢

–

ентальпії робочих потоків контуру утилізації

· керування роботою вузла тепловідводу у конденсаторі, що

полягає в регулюванні частоти обертання вентилятора, який обслуговує

конденсатор (рис.5.22). Локальний командний сигнал у цьому випадку по-

дається залежно від температури конденсату, який надходить в насос Н

живлення. Додатковий же сигнал Д формується залежно від положення

рейки ПНВТ. При підвищенні температури робочого тіла в конденсаторі

вище заданого рівня здійснюється збільшення частоти обертання n

вк

вен-

тилятора, отже й буде зростати подача повітря G

вк

до теплообмінних пове-

рхонь; навпаки, падіння цієї температури супроводжується зменшеннями

вк

, G

вк

;

· керування витратою робочого тіла утилізаційного контуру залеж-

но від режимів роботи КДВЗ (рис.5.23,.5.24). Воно реалізовано за сигналом

324

– перепадом температур Dt поміж робочим тілом і ВГ на початкових діля-

нках випарювальних поверхонь парогенератора (Dt » 15 – 25 °С), а також

за другим коригувальним сигналом, який формується за температурою ВГ,

що залишають парогенератор (t

ух

³ 150°С).

Зміна подачі робочого тіла у каналі ВВТ у випадку використання не-

регульованого його насоса досягається шляхом шунтування потоку рідини

(рис. 5.22). При цьому потік конденсату розділяється на два: один направ-

ляється у парогенератор ПГ, а другий – до нагнітувача Н. Якщо в контурі

ВВТ використовується регульований насос, як показано на схемі рис. 5.24,

то зміна витрати робочого тіла здійснюється за рахунок варіювання режи-

му роботи цього насоса РН.

У наведених схемах КБК утилізаційним контуром додатковий зада-

вальний сигнал D формується положенням рейки ПНВТ (чутливого елеме-

нта датчика рейки).

Рисунок 5.22 –

Принципова схема КБК ВВТ (утилізацією) КДВЗ

(частина друга):

ОТ – обмежувач тиску; ПП – підсумовчий пристрій; З –заслінка; РВРТ –

регулятор витрати робочого тіла; РВК – регулятор

вентилятора конденсатора;

1,2,3

– задавальні сигнали; ГМ – гідромуфта вентилятора конденсатора; РМ –

розширювальна машина: Н – насос живлення; К - конденсатор; L

рм

–

робота

розширювальної машини; L

– робота для приводу насоса живлення; t

–

температура насичення; t

– температура після економайзера; t

температура

після конденсатора; РРГМ – робоча рідина гідромуфти; L

вк

–

робота для приводу

вентилятора конденсатора,

–

теплота, відведена в конденс

торі

325

Рисунок 5.23 – Елемент схеми КБК

утилізаційним контуром із другим

корегуючим сигналом t

вг

– температура робочого тіла після

економайзера; t

– температура насичення;

вг

– температура відпрацьованих газів

Рисунок 5.24 – Елемент схеми КБК

утилізаційним контуром з регульова-

ним насосом:

РН – регулятор насоса живлення ; інші

позначки (як на рис. 5.23, 5.22)

Як показали випробування та розрахунки, застосування ВВТ дозво-

ляє знизити питому ефективну витрату палива на номінальному режимі до

15 г/(кВт×рік) для силової установки з комбінованим дизелем, ТК та ВВТ;

отримати економію палива біля 10 г/(кВт×год) для силової установки з

комбінованим дизелем, ТК, СГТ й ВВТ.

Середня експлуатаційна витрата палива може бути знижена від

3–6 г/(кВт×год) для першого варіанту, та до 5–8 г/(кВт×год) для другого ва-

ріанта.

5.4. КБК розподілом навантаження поміж циліндрами ДВЗ

Комп’ютерні системи керування відкривають можливості реалізації

нових функцій керування, що покращують експлуатаційні характеристики

двигунів. До них відноситься автоматичне керування навантаженням

окремих циліндрів за рахунок зміни структури двигуна безпосередньо у

процесі експлуатації двигунів. Таке керування здійснюють шляхом від-

ключення частини циліндрів двигуна при його роботі на холостому ході та

на часткових режимах, що є суттєвим резервом підвищення експлуатацій-

ної паливної економічності ДВЗ.

Якщо при частковому навантаженні багатоциліндрового двигуна ви-

ключити деякі циліндри, то інші будуть діяти при більшій циліндровій по-

326

тужності з кращим ККД. Крім того, охолоджувана поверхня КЗ зменшить-

ся, тому зменшаться й втрати теплоти, що також підвищує h

. Поліпшуєть-

ся й механічний ККД. При їзді по місту економія палива виявляється особ-

ливо. При русі під уклін виключені циліндри чинять менший опір, гальму-

вання двигуном зменшується, й автомобіль по інерції проходить більший

шлях.

У двигунах з іскровим запалюванням відключення циліндрів на хо-

лостому ході й малих навантаженнях здійснюється спеціальним КБК, який

одночасно збільшує паливоподачу у працюючі (невідключені) циліндри.

Блок керування циліндрів змінює порядок запалювання у цих циліндрах.

Для ліквідації впливу насосних втрат в непрацюючих циліндрах передба-

чено виключення в них впускних і випускних клапанів.

Бачимо, що на КБК відключенням циліндрів покладається комплекс

функцій.

Відключення циліндрів доцільно при використанні безпосереднього

вприскування бензину у впускний трубопровід кожного циліндра.

Розроблені різні виконавчі пристрої відключення циліндрів. Так, на

автомобілях Cadillac фірми Jeneral Motors (літраж 6 л) двигун облаштова-

ний електронною підсистемою вприску бензину, поєднаною з електроме-

ханічним пристроєм закриття впускних та випускних клапанів у циліндрах,

що виключаються за сигналами КБУ на електрокеровані клапани їх пали-

вовприскувальних пристроїв. Клапани закриваються за сигналами мікро-

ЕОМ електромагнітом, що переміщує осі гойдання коромисел механізму

газорозподілу. На двигуні Orion MD фірми Mitsubishi клапани першого й

четвертого циліндрів закриваються гідравлікою з електронним керуванням

за сигналами датчиків режимних параметрів й теплового стану двигуна.

Застосовують й інші способи відключення циліндрів, наприклад, у

двигунів з верхнім розташуванням розподільного вала. Так, половину ци-

ліндрів шестициліндрового двигуна BMW (Німеччина) виключають так,

що у трьох циліндрів відключаються запалювання та вприскування, а від-

працьовані гази з трьох працюючих циліндрів відводяться через три від-

ключені циліндри й можуть розширюватися і далі. Цей процес здійснюєть-

ся клапанами у впускному та випускному трубопроводах. Перевагою тако-

го способу є те, що виключені циліндри постійно підігріваються прохідни-

ми відпрацьованими газами, тобто завжди перебувають у стані готовності

до пуску.

327

У восьмициліндровому V-подібному двигуні Porshe 928 з відключен-

ням циліндрів є дві практично повністю відокремлені один від одного чо-

тирициліндрові V-подібному секції, кожна з яких облаштована самостій-

ним впускним трубопроводом; механізми газорозподілу при цьому не ма-

ють відключення приводу клапанів. Один з двигунів відключається закри-

ванням дросельної заслінки й припиненням вприску бензину, причому ви-

пробування показали, що насосні втрати будуть найменшими при невели-

кому відкритті дросельної заслінки. Дросельні заслінки обох секцій осна-

щені незалежними приводами. Секція, що відключається, постійно подає

невелику кількість повітря в загальний трубопровід, яке використовується

для допалювання відпрацьованих газів у термічному реакторі каталітично-

го нейтралізатора викидів двигуна. А це включає застосування спеціально-

го насосу для подачі вторинного повітря у хімічний регенератор.

Восьмициліндровий двигун розділяють на дві чотирициліндрові се-

кції: одна з них відрегульована на великий крутний момент при низькій

частоті n та постійно знаходиться у роботі, а інша – на N

e max

і включається

тільки при необхідності мати потужність, близьку до максимальної. Бага-

топараметрові характеристики двигуна Porshe 928 при роботі 8-ми або 4-х

циліндрів показані на рис. 5.25.

Рисунок 5.25 –

Робочі характеристики й шляхова витрата палива

двигуна Porshe 928:

а – характеристики; б – паливна витрата;

–

включені 8 циліндрів; 2

–

включені тільки 4 циліндри

, Н

350

300

250

200

150

100

–

, хв

–

270

280

290

300

320

350

400

500

800

320

350

=260г/кВт·год

400

120

л/100км

v, км/год

328

Зони поліпшення питомої витрати палива за рахунок чотирьох цилі-

ндрів двигуна заштриховані. Наприклад, при частоті обертання n = 200 хв

-1

й крутному моменті М

= 80 Н×м питома витрата палива при роботі всіх

восьми циліндрів двигуна складає 400 г/(кВт×год), тоді як у двигуна з від-

ключеними циліндрами на тому ж навантаженому режимі вона суттєво

зменшується до 300 г/(кВт×год). Ще більш помітну економію палива можна

отримати при низьких швидкостях руху автомобіля. При рівномірній їзді

по горизонту (рис. 5.25, б) у двигуна з чотирма виключеними циліндрами

(пунктирна крива) при швидкості 40 км/год витрата палива падає на 25% (з

6 до 8 л/100 км).

Фірма Mercedes-Benz також використовувала відключення циліндрів

у 8-циліндровому двигуні для підвищення паливної економічності. Від-

ключення робилося за допомогою електромагнітного пристрою, який роз-

виває жорсткий зв’язок поміж газорозподільним кулачком й клапаном. В

умовах їзди по місту витрата палива при цьому знизилася на 32 %.

В бензинових двигунах віднаходить застосування й інший варіант

КБК розподілом навантаження циліндрів на основі пропусків окремих ро-

бочих циклів у циліндрах.

Подібний блок керування автомобільним двигуном типу ЗМЗ-53

розроблений в Українській транспортній академії, м. Київ. Кількість про-

пущених циклів може бути будь-якою, що на відміну від метода виклю-

чення циліндрів дозволяє регулювати потужність двигуна з скільки за-

вгодно малим кроком (за N

), забезпечуючи зберігання у всіх циліндрах рі-

вномірного температурного режиму. В цьому КБК використано програмне

керування паливоподачею з регулюванням потужності двигуна пропуска-

ми частини окремих циклів. Пропуски окремих циклів реалізуються в сис-

темі розподілу командних імпульсів, які, на відміну від генерування стар-

тових імпульсів, формуються не з однаковою скважністю за часом, а виро-

бляються з пропусками, тобто зі змінною скважністю. Встановлено, що

КБК пропусками циклів може сприяти підвищенню паливної економічнос-

ті в зоні найбільш поширених експлуатаційних часткових режимів та на

холостому ході, відповідно, на 17–25 % й на 45 %.

Відключення частини циліндрів починає застосовуватися й на дизе-

лях – як середньообертових, так і швидкохідних.

329

Представляє інтерес розробка Коломенського філіалу ЗПІ щодо елек-

тронного керування кількістю працюючих циліндрів шляхом вбудування в

загальну КСК дизеля комп’ютерного блока керування кількістю працюю-

чих циліндрів (КБККЦ). Передбачені виконуючі пристрої індивідуального

керування роботою кожного циліндра. Використовуються паливні системи

без ПНВТ, частіш всього з електрогідравлічними насос-форсунками, елек-

тромагнітні клапани яких одночасно виконують функції виконавчих меха-

нізмів електронного регулятора швидкості й КБККЦ. Як і для бензинових

ДВЗ, регулювання розподілу навантаження циліндрів сполучає відповідне

керування паливоподачею із зміною параметрів повітряного заряду цилін-

дрів й фаз газорозподілу (з одночасним виключенням клапанів).

Проведено обґрунтування програмного керування кількістю працю-

ючих циліндрів у функції дійсної частоти обертання n та навантаження N

При цьому використовувалися результати експериментальних досліджень

конкретних дизелів, що дають чітке уявлення про оптимальну кількість

циліндрів на кожному режимі моделі експлуатації дизеля (оптимальність

розуміється з точки зору прийнятого критерію якості – експлуатаційної па-

ливної економічності). Програма задається у вигляді співвідношення z =

f(n, N) й закладається у пам’ять мікроЕОМ для її реалізації за допомогою

КБККЦ за сигналами командних датчиків n й N

(М

Розглянемо один з варіантів відміченої КБККЦ, показаний на

рис. 5.26, а.

Керованим параметром тут є вихідний сигнал ЕР. Цей сигнал разом з

сигналом КБККЦ визначає величину циклової подачі палива у працюючі

(невідключені) циліндри. Стабілізація подачі палива шляхом зміни (за до-

помогою КБККЦ) кількості працюючих циліндрів забезпечує в останніх

режими, близькі до оптимальних (номінального).

На схемі показаний, крім КАБУКЦ, також і ЕР, що дозволяє зрозумі-

ти їх взаємодію у складі КСК ДВЗ.

Відмічений задавач режиму роботи дизеля ЗР, який на основі інфор-

мації про положення органу керування дизеля, наприклад, педалі керуван-

ня U

п.к

, про стан інших агрегатів силової установки (наприклад, про поло-

ження механізму зчеплення U

зч

, включену передачу U

пер

, навантаження ди-

зеля р

), стан дизеля (наприклад, тиску наддуву p

, температур: t

ох

, мастила

, t

вг

), дійсної частоти обертання колінчастого вала w й вихідного сигналу

ЕР U

), виробляє завдання всім КБК параметрами дизеля, які забезпечать у

сукупності близьке до оптимального програмне керування дизеля, в першу

чергу, за витратою палива.