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.

330

Рисунок 5.26

–

Приклад КБККЦ:

схема КБ

ККЦ;

б – діаграма регулювання кількості працюючих циліндрів дизеля з

використанням КБУКЦ; 1 – U

вкл

(i, w, t, p

, U

пер

, U

зч

);

2 – U

викл

(i, w, t, p

, U

пер

, U

зч

);

1¸5 - I = s-4; z-3; z-2; z-1;z

ЗР ЗЧ

РЧ

РФКІ

ПАЛ

ЕУНФ

ЗКЦ

РКЦ

БЧВ

РФКІ

НАД

КБККЦ

ЕР

п.к

зч

пер

331

У склад ЕР входять задавач частоти обертання колінчастого вала ЗЧ

й регулятор частоти обертання РЧ, який видає команди на розподілювач –

формувач електричних командних (керувальних) імпульсів РКФІ

пал

та еле-

ктрично керовані насос-форсунки.

До складу КБККЦ включені задатчики кількості працюючих цилінд-

рів ЗКЦ, регулятор кількості працюючих циліндрів РКЦ, блок чередування

відключення циліндрів БЧВ, призначений для виключення надмірної зміни

теплового стану відключених циліндрів. Пунктиром позначено канал керу-

вання повітроподачею зі своїм розподілювачем – формувачем електричних

командних імпульсів РФКІ

над

На рис. 5.26, б показана пояснювальна діаграма регулювання кілько-

сті працюючих циліндрів. У нижній частині показані залежності витрати

палива В дизелем від навантаження для різних значень кількості працюю-

чих циліндрів (z – загальна кількість циліндрів дизеля); в середній – залеж-

ності вихідного сигналу регулятора частоти від навантаження; у верхній

частині – встановлене РКЦ.

ЗКЦ виробляє два значення вихідного сигналу РЧ (U

викл

й U

вкл

), при

яких повинні виконуватися включення циліндрів й включення раніш ви-

ключених циліндрів.

Інтервал від U

викл

до U

вкл

відповідає подачам палива, що забезпечу-

ють у працюючих циліндрах робочий процес, достатньо близький до оп-

тимального (номінального) за витратою палива.

Сигнали U

викл

й U

вкл

подаються на вхід РКЦ, де з ними порівнюються

поточні значення U

. Якщо при роботі усіх циліндрів навантаження дизеля

знижується до рівня, позначеного 1, величина U

стає рівною U

викл

й РКЦ

подає команду на відключення одного з циліндрів. Ця команда через БЧВ

надходить до РКФІ

пал

, у результаті чого в обраний БЧВ циліндр не пода-

ється паливо (як і повітря). Тим самим робота дизеля переводиться з хара-

ктеристики і = z на характеристику і = z – 1.

При подальшому зниженні навантаження дизеля до рівня 2 величина

знову стає рівною U

викл

й РКЦ подає команду на відключення ще одного

циліндра. Дизель починає працювати за характеристиками і =z – 2. При ще

більшому зростанні навантаження дизеля аналогічно здійснюються пере-

ходи на характеристики і =z – 3; і =z – 4 і т.д.

332

Якщо ж навантаження дизеля, наприклад, з точки 2, починає збіль-

шуватися, то значення U

, що змінюється за характеристикою і =z – 2, при

навантаженні дизеля, позначеного 2¢, дорівнюватиме U

вкл

. При цьому РКЦ

включає в роботу один з виключених циліндрів й дизель починає працюва-

ти за характеристиками і =z – 1. Включення в роботу циліндра, який зали-

шився невключеним, здійснюється аналогічно при збільшенні навантажен-

ня дизеля до рівня 1.

Різниця U

викл

– U

вкл

вибирається за умови усунення автоколивань у

КБККЦ. Для цього треба, аби режими навантажень дизеля в точках 1 і 1¢, 2

і 2¢, 3 і 3¢, 4 і 4¢ і т.д., що визначені

U, були не менше, ніж розмахи коли-

вань навантаження дизеля на усталених режимах, близько до відповідних

точок переключення.

Для підвищення ефективності роботи дизеля величини U

викл

та U

вкл

можуть змінюватися в функції кількості працюючих циліндрів, n, p

, t

стану інших агрегатів силової установки, температурного стану дизеля,

тощо. При цьому залежності U

викл

= f(р

) та U

вкл

= j( р

) нелінійні й неодно-

значні. Чергування відключення циліндрів, що здійснюється БЧВ, доцільне

для вирівнювання умов роботи всіх циліндрів. При цьому КБККЦ стає

близьким до КБК відключенням робочих циклів у ДВЗ, про що вище йшла

мова.

Розділення функцій керування n та z тут є принциповим, оскільки за-

безпечує збереження високої якості регулювання w на усталених режимах

й при перехідних процесах та одночасно забезпечує більш високий рівень

оптимізації робочого процесу у працюючих циліндрах.

Головна особливість описаного КБККЦ – відсутність додаткових

пристроїв, крім тих, що використовуються в ЕР. Поставлені цілі досяга-

ються тільки алгоритмічними засобами на основі робочої інформації, що

мається в основному ЕР.

Подальший розвиток КБККЦ можливий на шляху адаптивного по-

шукового керування, тобто коли програмне керування доповнюється зво-

ротними зв’язками й перетворюється у програмно-адаптивне.

Розглянемо виконавчі механізми відключення каналів впускних й

випускних для подальшого виключення циліндрів дизеля.

Використовуються різні виконавчі пристрої [3] у вигляді гідроштов-

хачів цих клапанів з електромагнітним керуванням.

333

Перший такий штовхач (рис. 5.27) конструкції ХДАЗТ (Україна)

призначений для тепловозного дизеля й має змінне наповнення гідропоро-

жнин, які керуються у відповідності до схеми рис. 5.26.

Керування подачею мастила (за стрілками) здійснюється одночасно

за допомогою електромагнітного клапана з пневмоприводу, а сама подача

– з загальної масломагістралі. Запирання кульки 9 поршнем 11 вельми на-

дійне за рахунок значної поверхні цього поршня, що сприймає тиск масти-

ла.

Рисунок 5.27 –

Гідроштовхач,

встановлений у важелі штовхача

двигуна ПДГ1М маневрового

тепловоза:

1 – корпус гідроштовкача; 2 – поршень;

3 – пружина велика; 4 – пружина мала;

5 – запобіжний клапан; 6 – дросель;

7 – шариковий клапан; 8 – важіль

штовхача; 9 – кулька; 10 – пружина;

11 – поршень клапана скидання тиску

мастила; 12 – кришка; 13 – додаткова

пружина; 14 – штанга;

А – від керованого приводу

маслоподачі;

–

з загальної масломагістралі

Рисунок 5.28 –

Гідроштовхач,

встановлений у ко

ромислі дизеля

СМД-62 трактораТ-150К:

1 – корпус коромисла; 2 – шарик

запобіжного клапана; 3 – пружина цього

клапана; 4 – пробка; 5 – корпус запобіж-

ного клапана; 6 – пружина плунжера; 7 –

пружина відсічного клапана; 8 – плунжер

гідроштовхача; 9 – шарик відсічного

клапана; 10 – живильний отвір; 11 –

монтажний болт; 12 – опора штанги

штовхача; 13 – проточка для керованого

підводу маст

ла

334

Другий штовхач (рис. 5.28) розроблений для тракторного двигуна

СМД-62 спільно ХДАЗТ й ГСКБД (Україна).

Їх конструкції не потребують пояснень. Досвід експлуатації двигу-

нів, обладнаних пристроями для відключення циліндрів, показав їхню ви-

соку ефективність на силових установках, специфікою яких є тривалість

режимів холостих ходів й малих навантажень. Це відноситься до двигунів

маневрових тепловозів, тривалість роботи яких на холостому ході складає

більш 80 % загального часу їх експлуатації. Слід підкреслити, крім того,

що дизелі магістральних тепловозів також досить тривалий час працюють

на режимі холостого ходу, оскільки з метою підтримання так званого “га-

рячого” резерву та у зв’язку з відсутністю утеплених ангарів, таке дозволе-

но на залізниці.

Робота тракторних дизелів, наприклад СМД-62, теж характеризуєть-

ся тривалою експлуатацією на холостих ходах, малих навантаженнях. Це

пов’язано з великим обсягом транспортних робіт, включаючи переїзди з

порожнім прицепом, а також з частою розрядкою акумуляторів. Робота ди-

зелів на холостому ході призводить до закоксування деталей ЦПГ, палив-

ної апаратури у зв’язку з неякісним вприскуванням (підтіканням) малих

порцій палива у переохолоджений циліндр. На цих режимах має місце па-

діння індикаторного ККД через збільшення періоду індукції впритул до

початку спалахування за ВМТ й вельми в’ялого згоряння погано розпиле-

ного палива. Тож і тракторні дизелі повинні мати у складі КСК дизеля

КБККЦ, яке покращить паливну їх економічність на означених режимах.

Експлуатаційні тривалі випробування [3] дали позитивні результати

щодо впливу відключення частини циліндрів на показники дизелів. Так, на

дизелі маневрового тепловозу виявлено зниження питомої експлуатаційної

витрати палива на 5–6 %. Аналогічний ефект виявлено й у дизеля СМД-62

трактора Т-150К.

Збільшення собівартості транспортного двигуна й ускладнення його

виробництва окупаються за кілька місяців, оскільки скорочується витрата

палива на поширених режимах холостого ходу й малих навантажень. Якщо

ж врахувати шкоду, яка завдаватиметься тривалою роботою на холостих

ходах, коли паливо подається з здійсненням газообміну у всіх циліндрах,

що сприяє закоксуванню форсунок та інших деталей ЦПГ, то термін окуп-

ності нового пристрою та КБККЦ суттєво скорочується.

335

5.5. КБК тепловим станом та надійністю ДВЗ

Проблемі забезпечення надійності двигунів при їх експлуатації

приділяється підвищена увага. Це пов’язано з підвищенням вимог, що

ставляться споживачами до якості силових установок з ДВЗ, важливішою

складовою якої є довговічність й безвідказність систем, механізмів, вузлів

та деталей двигунів.

Зазначена проблема загострюється у зв’язку з тенденцією форсуван-

ня двигунів за літровою потужністю, прагненням підвищити їх наванта-

ження при використанні на силових агрегатах, підвищенням нормативів

щодо моторесурсу до першого капітального ремонту, скороченням витрат

на обслуговування ДВЗ (перш за все – на запасні деталі), прагненням збі-

льшувати продуктивність силових агрегатів за рахунок скорочення просто-

їв, пов’язаних з відказами, тощо.

Сказане підкреслює нагальну необхідність розробки засобів

комп’ютерного керування надійністю ДВЗ, без чого неможливо взагалі

враховувати нестаціонарні тепломеханічні навантаження на деталі двигу-

нів, що обумовлюють утомні пошкодження, характерні для них, здійсню-

вати миттєву адаптацію до впливових факторів.

5.5.1. Шляхи забезпечення експлуатаційної надійності ДВЗ й вимоги

до КБК

В практиці моторобудування поширені різні ефективні шляхи й ме-

тоди підвищення надійності двигунів, в тому числі:

зниження теплової напруженості деталей;

зниження жорсткості робочого циклу;

пом’якшення пуску, навантажень;

підтримання оптимальних регулювань;

діагностичне обслуговування;

послаблення суб’єктивних факторів при керуванні двигуном та ін.

Використовуються методи аварійного захисту, серед яких:

обмеження діючих напруг;

обмеження детонації;

обмеження максимального навантаження;

обмеження n і т. ін.

336

Значна частина цих діянь придатна для електронізації керування ни-

ми.

У більшості випадків, завдяки роботі КСК ДВЗ за оптимізацією на-

вантажених й швидкісних режимів вдалося добитися зниження напруже-

ності їхніх деталей, в тому числі, у зв’язку з поліпшенням паливної еконо-

мічності (й зменшенням тепловиділення під час робочого циклу), а також у

зв’язку із зниженням жорсткості циклу (Dр/Dj). Про це свідчить, напри-

клад, досвід фірми MTZ (Німеччина), судові швидкохідні дизелі з КСК

якої мають знижену термомеханічну напруженість деталей при форсуванні

двигунів за літровою потужністю.

Така ж важлива перевага використання КСК ДВЗ виявляється в роз-

робках інших провідних фірм Японії, США та ін.

У деякій мірі керування експлуатаційною надійністю двигунів вико-

нують їхні комп’ютерні блоки керування кліматичною адаптацією. Забез-

печувана такими КБК стабілізація параметрів робочого процесу (a, t

, p

та

ін.) й теплового стану двигунів при їх роботі в екстремальних умовах тро-

пічного (жаркого) клімату й високогір’я безумовно обмежує можливе погі-

ршення надійності двигунів.

Однак ведучі фірми не зупиняються на цьому. Ряд з них ведуть ін-

тенсивну розробку спеціальних КБК надійності двигунів. Всі вони базу-

ються на принципі зворотного зв’язку, тобто володіють адаптивністю.

Природно, що КБК надійністю забезпечують реалізацію як окремих

заходів, які підвищують довговічність й безвідказність за відповідними

командними параметрами, так і комплексного керування надійності двигу-

нів. Відповідно формуються і вимоги до конкретних КБК надійністю.

5.5.2. Електронне авторегулювання теплового стану ДВЗ

Надійність теплових двигунів, якими є ДВЗ, в першу чергу пов’язана

з їхнім тепловим станом.

Тому й керування тепловим станом двигунів є ефективним засобом

забезпечення високого рівня їх надійності.

Однак ця проблема далеко виходить за межі надійності, оскільки від

теплового стану камери згоряння, наприклад, залежить якість згоряння па-

лива в циліндрах, тобто – паливна економічність.

337

Підтримання оптимального теплового стану деталей ЦПГ визначає

витрати на привід пристроїв, що забезпечують інтенсифікацію охолоджен-

ня відзначених деталей із зростанням навантаження двигуна. Причому зме-

ншення цих витрат без погіршення теплового стану деталей є суттєвим

резервом підвищення ефективного ККД двигуна.

Тому у складі сучасних КСК ДВЗ з’являються також і блоки керу-

вання тепловим станом деталей двигунів.

Запропоновані різні способи авторегулювання теплового стану ос-

новних деталей (АРТСД) камер згоряння, поршнів, випускних клапанів,

розпилювачів форсунок, головок циліндрів та ін. Мабуть, ще рано

говорити про авторегулювання температурних полів, тим більше –

нестаціонарних, таких деталей за сигналами щодо реальних рівнів нагріву

в зонах найбільшої небезпеки.

Але АРТСД вже здійснюється у квазістаціонарній постановці.

Сьогодні подібне авторегулювання, як правило, здійснюється за сиг-

налами про вихідні параметри ДВЗ, наприклад, таких, як N

, t

вг

та ін. При-

родно, від цього страдає авторегулювання теплового стану деталей. Але й

обмежене керування може принести суттєву користь з точок зору підви-

щення надійності теплонапружених деталей та зменшення втрат,

пов’язаних з функціонуванням системи охолодження ДВЗ.

Особливу актуальність АРТСД отримує для форсованих двигунів.

Розглянемо комп’ютерні блоки керування тепловим станом ДВЗ

(КБКТСД) при дискретній зміні умов охолодження деталей ЦПГ за сигна-

лами про навантаження двигуна, наприклад.

До основи їхніх виконуючих пристроїв можуть бути покладені такі

функції:

· відключення вентилятора системи охолодження на часткових ре-

жимах роботи двигуна;

· відключення на цих режимах подачі мастила (води) на

охолодження поршнів;

· перепуску на часткових режимах частини повітря для наддуву

перед його охолоджувачем в атмосферу;

· відключення потоку охолоджувальної рідини, що омиває зону

гільзи циліндрів близько НМТ при роботі двигуна на часткових режимах;

338

· перепуск на часткових режимах роботи двигуна частини мастила

перед його охолодженням у картер;

· локальний підігрів відміченої зони гільзи циліндрів на таких ре-

жимах;

· підігрів повітря для наддуву на холостому ході й малих

навантаженнях двигуна теплотою відпрацьованих газів, водяного чи мас-

тильного контурів.

Бачимо, що ці заходи націлені як на зниження рівнів температур

деталей, так і на зменшення температурних градієнтів в них. Останнє, як

відомо, сприяє зменшенню термічних напруг.

Для реалізації таких функцій сьогодні запропоновані КБК, що вико-

нують функції двопозиційних вимикачів. Блоки керування включають не-

прямої дії терморегулятори з керуванням від бортової мікроЕОМ.

Настройка цих терморегуляторів здійснюється з урахуванням обра-

ного способу АРТСД й програми керування (у вигляді залежності теплово-

го стану деталі від N

та n). Мова йде про зони цих деталей, де не припус-

тимі перегрів, концентрація термомеханічних напруг та ін. Звичайно, від-

ключення вентилятора, подачі охолоджувального мастила (води) на пор-

шень, перепуск наддувного повітря або мастила перед відповідним охоло-

джувачем, а також інші засоби, які стабілізують тепловий стан деталей

двигуна на часткових режимах, реалізується при зменшенні долевого нава-

нтаження після 70–50 % й нижче. При цьому, крім температурної компен-

сації, зменшуються витрати теплоти й втрати на тертя, що приводить до

поліпшення експлуатаційної паливної економічності практично без погір-

шення надійності двигуна. Приклад відзначеної програми керування пока-

заний на рис. 5.29.

Як виконавчі пристрої двопозиційних КБКТСД можуть

використовуватись перепускні клапани та кінцеві вимикачі з електронним

керуванням, конструкції яких загальновідомі.

Сучасні дизельні судові установки можуть оснащатися й КБКТСД

безперервної дії. Мова йде про блоки керування температурами охолоджу-

вальної рідини, змазувального мастила й наддувного повітря, без чого еко-

номічна, безвідказна й довговічна робота судових потужних дизельних

установок взагалі неможлива.

339

Застосування автоматичного регулювання температури наддувочно-

го повітря t

сприяє поліпшенню умов згоряння палива, запобіганню коро-

зійного зношування втулки, кришки, клапанів та ін. На ці ж цілі спрямова-

на стабілізація t

ох

, t

. В кінцевому разі підвищуються паливна економіч-

ність дизелів та їхній моторесурс на експлуатаційних режимах, особливо

при низьких температурах зовнішнього повітря та забортної води.

Сьогодні ставляться вимоги, аби КБКТСД забезпечували

підтримання регульованих температур теплоносіїв на долевих нагрузках на

рівні температур, характерних для номінального режиму, та навіть на 15-

35 °С вище цих величин (рис. 5.30).

Подібні характеристики АРТСД реалізуються шляхом вмонтовуван-

ня в КСК дизелів нових блоків керування об’єднаними контурами охоло-

дження зарубашечного простору, змазувального мастила й наддувного по-

вітря, пов’язаними між собою крізь байпасні (обводні) трубопроводи фік-

Рисунок 5.29 – Характеристики АРТСП в зоні верхнього компресій

ного

кільця поршня за термін річної експлуатації тракторного дви

гуна

СМД-62М:

• • • • • реальне АРТСП; ― • ― ідеальне АРТСП; ― без мастильного охоло-

дження поршня; ― ― ― з нерегульованим охолодженням поршня

(

= 100 кг/год)

240

210

190

150

120

100

200 300

400 500

600

700 800 М. – год

пк

пкмеж