Автономная дизель-электрическая установка

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в автономных электроагрегатах с приводными тепловыми двигателями, работающими при переменной частоте вращения. Цель изобретения - повышение экономичности. В устройство введены элементы, формирующие замкнутые контуры регулирования скоростью, впрыском и наддувом по оптимальным зависимостям от нагрузки генератора. При этом учитывается и компенсируется влияние давления и температуры окружающей среды на рабочие процессы в двигателе до расчетных значений пониженного давления и повышенной температуры. Такое комплексное многомерное регулирование обеспечивает выбор более экономичных режимов работы. 10 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л Р 02 D 29/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4695803/06 (22) 25,05.89 (46) 15,12.91. Бюл. ¹ 46 (72) Н.В.Руденко, В,Ю.Гречуха, В,В,Ершов и

А.В.Коренев (53) 621.43-001.5 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1300169, кл. F 02 D 41/00, 1985. (54) АВТОНОМНАЯ ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (57) Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в автономных электроагрегатах с приводными тепловыми двигателями, работающими при переменИзобретение относится к энергетике и может быть использовано в автономных электроагрегатах с приводными тепловыми двигателями, работающими при переменной частоте вращения.

Известна электроэнергетическая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания и асинхронизированный синхронный генератор.

Недостатком этой установки является низкая стабильность частоты вращения в режимах постоянных нагрузок, что обусловливает перерасход топлива, Известна электроэнергетическая установка, состоящая из дизельного двигателя, асинхронизированного синхронного генератора, в которой частота вращения вала регулируется в функции от нагру=-ки.

Недостатком этой установки является низкое быстродействие в динамических режимах, что приводит к низкой экономичности, „„5Ц„„1698468 А1 ной частоте вращения. Цель иэобретения— повышение экономичности. В устройство введены элементы, формирующие замкнутые контуры регулирования скоростью, впрыском и наддувом по оптимальным зависимостям от нагрузки генератора. При этом учитывается и компенсируется влияниедавления и температуры окружающей среды на рабочие процессы в двигателе до расчетных значений пониженного давления и повышенной температуры. Такое комплексное многомерное регулирование обеспечивает выбор более экономичных режимов работы.

10 ил.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является система регулирования топливоподачи двигателя внутреннего сгорания транспортной энергетической установки.

Недостатком этой системы является низкая экономичность, что приводит к перерасходу топлива, Низкая экономичность прототипа обусловлена тем, что при управлении процессами преобразования энергии с целью обеспечения минимума расхода топлива отсутствует комплексное многомерное регулирование с отрицательными обратными связями по углу опережения вп рыска, частоте вращения и коэффициенту избытка воздуха дизеля в зависимости от нагрузочных режимов.

Целью изобретения является повышение экономичности.

Указанная цель достигается тем, что в известную энергетическую установку. со1698468

10 держащую дизель с турбокомпрессором и топливным насосом, электрический генератор с системами возбуждения и регулирования напряжения, кинематически связанный с валом отбора мощности дизеля, датчик частоты вращения коленчатого вала дизеля, датчик активной мощности, блок управления, вход которого связан с выходами датчиков, и исполнительный механизм, кинематически связанным с органом дозирования топливного насоса, а электрически — с входом блока управления, дополнительно введены датчик положения органа дозировэния, датчик угла опережения впрыска топл и ва, датчик частоты вра щения турбокомпрессора, датчик давления наддуваемого воздуха, датчики давления и температуры окружающей среды, орган регулирования угла опережения впрыскэ топлива с исполнител ьн ы м меха н измом, орган регулирования давления наддува с исполнительным механизмом и датчик положения органа регулирования давления наддува, блок управления выполнен в виде управляющей микроЭВМ с шиной входных данных, блоком памяти с записанными в нем подпрограммами оптимизации, входными преобразователями по числу датчиков, выходными преобразователями по числу исполнительных механизмов, а также с процессором, шина входных данных выполнена в виде входа. блока управления, а каждый из выходных преобразователей своим выходом связан со входом соответствующего исполнительного механизма, причем выходы выходных преобразователей выполнены в виде выхода блока управления, Введение блока управления в виде управляющей микроЭВМ с блоком памяти и подключение через входной преобразователь к входу блока управления датчика активной мощности позволяет по текущему значению нагрузки Рп(т) нэ основе заложенных в блоке памяти оптимальных зависимостей скорости от нагрузки впт = f(PH), угла опережения впрыска от скорости v«> = 1(в) и коэффициента избытка воздуха от скорости 4пг= f(N) вычислить оптимальные значения

Г опт, 1 опт, %>пт °

Подключение выхода датчика частоты вращения через входной преобразователь к входу блока управления, а выхода последнего через выходной преобразователь к исполнительному механизму, кинематически связанному с органом дозировэния топливного насоса, делает контур управления скоростью замкнутым.

Введение органа регулирования угла опережения впрыска топлива с исполнительным механизмом, подключение входа последнего через выходной преобразователь к выходу блока управления позволяетсформировать контур управления впрыском.

Подключение датчика угла опережения впрыска топлива через входной преобразователь к блоку управления делает контур управления впрыском замкнутым. Введение органа регулирования давления наддува с исполнительным механизмом. подключение входа последнего через выходной преобразователь к выходу блока управления позволяет сформировать контур управления наддувом двигателя. Подключение датчика положения органа дозирования, датчика положения органа регулирования давления наддува, датчика частоты вращения турбокомпрессора, датчика давления наддува, датчиков давления и температуры окружающе.1 среды через входные преобразователи к входам блока управления позволяет образовать отрицательную обратную связь в контуре управления наддувом двигателя.

Блок управления по статической хараКтврИСтИКЕ КОМПрЕССОраКк = f(Nk 6К, ak), скоростной характеристике топливного насоса оц = f(h, вн ) и программе вычисления текущего значения коэффициента избытка воздуха а (t), заложенных в блоке памяти, с учетом текущих значений давления и температуры окружающей среды вы-. числяет а (t), Регулирование в контурах управления скоростью, впрыском и наддувом осуществляется по отклонениям, которые вычисляются в блоке управления как разности задающих воздействий, т.е. оптимальных, и текущих значений регулируемых велиЛВ =В„, — N(t); ЛV =V„> — V(t);

Ла =ап, — Q(t)

Таким образом, наличие замкнутых контуров управления скоростью, впрыском и наддувом, регулирование относительно оптимального для данной нагрузки значения скорости, оптимальных для данной оптимальной скорости угла опережения впрыска и коэффициента избытка воздуха, а также учет атмосферного давления и температуры окружающей среды позволяет в отличии от прототипа выбрать наиболее экономичный режим преобразования энергии топлива, а следовательно, повысить экономичность установки.

На фиг,1 представлена функциональная схема установки; на фиг,2-4- соответственно оптимальные по критерию минимума

1698468 расхода топлива зависимости частоты вращения вала двигателя от нагрузки в„.= f(P ), угла опережения впрыска от частоты

=фо), коэффициента избытка воздуха от частоты

Qonr = f(c0); на фиг.5 — статическая характеристика компрессора кк = f(<5<, 6, r4<); на фиг.6— скоростная характеристика топливного насоса

gq = f(h, c4 ); на фиг,7 — вариант конструкции органа регулирования угла опережения впрыска топлива с исполнительным механизмом; на фиг.8 — вариант конструкции органа регулирования давления наддува с исполнительным механизмом; на фиг.9 — алгоритм функционирования блока управления; на фиг.10 — алгоритм вычисления текущих значений коэффициента избытка воздуха.

Автономная дизель-электрическая установка содержит дизель 1 (фиг.1) с турбокомпрессором 2 и топливным насосом 3, электрический генератор 4 с системами возбуждения и регулировки напряжения, кинематически связанный с валом отбора мощности дизеля 1, датчик 5 частоты вращения коленчатого вала дизеля 1, датчик 6 активной мощности, блок управления 7, вход которого связан с выходами датчиков, и исполнительный механизм 8, кинематически связанный с органом дозирования 9 топливного насоса 3. а электрически — с выходом блока управления 7.

Установка также снабжена датчиком 10 положения органа дозирования, датчиком

11 угла опережения впрыска топлива, дат.чиком 12 частоты. вращения турбокомпрессора, датчиком 13 давления наддуваемого воздуха, датчиком 14 и 15 давления и температуры окружающей среды, органом регулирования 16 угла опережения впрыска топлива с исполнительным механизмом 17, органом регулирования 18 давления наддува с исполнительным механизмом 19 и датчиком 20 положения органа регулирования давлением наддува, блок управления 7 выполнен в виде управляющей микроЭВМ с шиной 21 входных данных, блоком памяти

22 с записанными в нем подпрограммами оптимизации, входными преобразователями 23 — 31 по числу датчиков, выходными преобразователями 32 — 34 по числу исполнительных механизмов, а также с процессором 35, шина 21 входных данных выполнена в виде входа блока управления 7, а каждый из выходных преобразователей 3234 своим выходом связан со входом соответствующего исполнительного механизма, причем выходы выходных преобразователей

32 — 34 выполнены в виде выхода блока управления 7.

Исполнительный механизм 17 и орган регулирования 16 (фиг.1) угла опережения впрыска топлива представляют собой катушку с обмоткой 1 (фиг.7), внутри которой расположен стержневой постоянный магнит 2, поджатый пружинами, к магниту прикреплен шток 3, кинематически связанный с рычагом регулирования угла опережения впрыска 4 муфты регулирования угла опережения впрыска 5.

Исполнительный механизм 19 и орган регулирования 18 (фиг.1) давления наддува могут быть представлены в виде, изображенном на фиг.8, где 1 — катушка с обмоткой, внутри которой расположен стержневой постоянный магнит 2, поджатый пружинами. К магниту прикреплен шток 3, кинематически связанный со штоком золотника 4 и гидравлического серводвигателя 5, Поршень серводвигателя 5 кинематически связан с диффузором компрессора 6 и датчиком положения органа регулирования давления наддува 7.

Датчики давления наддуваемого воздуха 13, давления 14 и температуры 15 окружающей среды представляют собой известные преобразователи давления и температуры в электрический сигнал.

Блок управления 7 выполнен на базе управляющей микроЭВМ (например типа

"Электроника 60M"). Программная реализация управления заложена в микроЭВМ в виде рабочих программ и алгоритмов. Алгоритм функционирования микроЭВМ представлен на фиг.9.

Первая функция, выполняемая микроЭВМ, состоит в вычислении оптимальных значений частоты вращения вопт, коэффициента избытка воздуха ао, и угла опережения впрыска топлива vonr соответственно по оптимальным зависимостям: No r = (Рн), опт = f (> )Уопт = f(N), записанным в блоке памяти. Вычисление проводится на основании информации о текущем значении мощности нагрузки (сигнал с датчика активной мощности).

Вторая функция, выполняемая микроЭВМ, заключается в вычислении текущего значения коэффициента избытка воздуха a(t) на основании информации о текущих значениях давления наддуваемого воздуха, частоты вращения турбокомпрессора, частоты вращения вала двигателя, положения органа дозирования топливного насоса, положения органа регулирования давления наддува, давления и температуры окружающей среды. При этом используется статическая характеристика компрессора x< = (в,G,,щ ) и скоростная характеристика топливного насоса 9ц = f(h, в), записанные в блоке памяти.

1698468

40

Алгоритм вычисления a (t) представлен на фиг.10, Третья функция, реализуемая микроЭВМ, заключается в вычислении управляющих воздействий в виде сигналов ошибок по регулируемым координатам cu, v, а . Сигналы ошибок определяют то рассогласование, которого достаточно для перевода установки в оптимальный режим работы после переходного процесса, Таким образом, рабочая программа микроЭВМ представляет совокупность взаимосвязанных функциональных подп рограмм; подпрограмму вычисления оптимальных значений а, t, а по текущей нагрузке; подпрограмму вычисления текущего значения a (t); подпрограмму вычисления управляющих воздействий в виде сигналов ошибок по со,u,a .

Устройство работает следующим образом.

В установившемся режиме с выхода датчика 6 активной мощности (фиг.1) на шину входных данных 21 блока управления 7 и. затем через входной преобразователь 24 в процессор 35 поступает сигнал, пропорциональный текущему значению активной мощности нагрузки, Процессор 35, обращаясь к блоку памяти 22, по оптимальной зависимости воот = т(Рн) (фиг.2) вычисляет значение скорости вала двигателя во»,, соответствующее этой нагрузке, Далее процессор 35, обращаясь к блоку памяти 22, по оптимальным зависимостям угла опережения впрыска от скорости гроот = f(c0) (фиг.3) и коэффициента избытка воздуха от скорости

%„» f(в) (фиг.4) вычисляет значения ю,„, и

apm, соответствующие в„.

Сигналы ошибки в контурах управления скоростью, впрыском и наддувом вычисляются в результате сравнения в процессоре сигналов задающих воздействий, т.е. „,, гроот ° аоо i 1 с текущими значениями N(t ) г (t)

a(t), которые формируются в цепях обратных связей этих контуров.

Сигнал, пропорциональный текущему значению скорости вращения вала в(т), передается с выхода датчика 5 частотв1 вращения вала на шину входных данных 21 блока управления 7 и затем через входной преобразователь 23 s процессор 35, где сравнивается с во,».

Сигнал, пропорциональный текущему значению угла опережения впрыска v(t), с выхода датчика 11 угла опережения впрыска топлива поступает на шину входных данных 21 блока управления 7 и затем через входной преобразователь 26 в процессор

35, где сравнивается с оп, Сигналы ошибки Лв =аопт -e(t 3 и

Лм =мо㻠— v(t) через выходные преобразователи 32 и 33 подаются на входы соответствующих исполнительных механизмов 8 и

17, под действием которых орган дозирования 9 топливного насоса обеспечивает значение частоты, а орган регулирования 16 угла опережения впрыска топлива — значение угла опережения впрыска, близкие к оптимальным для данного установившегося режима.

Для вычисления текущего значения коэффициента избытка воздуха a(t) используется информация, поступающая на шину входных данных 21 с датчика 10 положения органа доэирования, датчика 12 частоты вращения турбокомпрессора, датчика 13 давления наддуваемого воздуха, датчиков

14 и 15 давления и температуры окружающей среды, датчика 20 положения органа регулирования давления наддува, Вычисление а (t) выполняется процессором 35 по программе, заложенной в блоке памяти 22.

Алгоритм вычисления а (т) представлен на фиг,10.

Вначале вычисляется параметр угловой скорости ротора турбокомпрессора согласно формуле — Мс й4<

То где То — температура окружающей среды; ໠— угловая скорость вращения вала турбокомпрессора и степень повышения давления в компрессоре по формуле

Р»

Х» 7 где Р» — давление наддува;

Ро — давление окружающей среды, По статической характеристике комп-. рессора л» = f (Й, 6», а»), (фиг,5), хранящейся в блоке памяти 22 с учетом а», л» и координаты органа регулирования давления наддува а», вычисляется параметр расхода воздуха через компрессор 6», а затем — текущая производительность комп рессора G»(t) по формуле

GK(t) — 6».

То

Далее по скоростной характеристике топливного насоса цц = f (h,ñî, ) (фиг.4), хранящейся в блоке памяти 22, с учетом текущих значений положения органа дозирования h (t), скорости в(с) и передаточного отношения 0щ = ан/в вычисляется цикловая подача топлива цц, а затем определяется часовой расход топлива по формуле GT(t) = K> 9ч в (t), где Ki — постоянный коэффициент, учитывающий количество цилиндров и тактность двигателя, Так как для

1698468

10 статических условий работы верно равенство 6к(с) — Gg(t) = О. где Gg(t) — текущий расход воздуха через двигатель, то можно получить текущее значение коэффициента избытка воздуха по формуле 5 а(с) = Кг где Кг — постоянный коэффициент, учитывающий теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива и 10 условия продувки.

Сигнал ошибки Ла =anr — а(с) через выходной преобразователь 34 поступает на вход исполнительного механизма 19, под действием которого орган регулирования давления наддува занимает положение, обеспечивающее значение коэффициента избытка воздуха, близкое к оптимальному для данного установившегося режима, При вычислении а (t) во всех режимах учитывается давление и температура окружающей среды, следовательно, они учитываются и в сигнале ошибки Ла компенсирующем отклонения режима работы от близкого к оптимальному под воздействием этих параметров. Таким образом, любые отклонения скорости вращения, угла опережения впрыска, коэффициента избытка воздуха по причинам изменения рабочих процессов в двига- З0 теле (температурный режим, пропуск вспышки в цилиндре и т.д.), а также перепадов давления и температуры окружающей среды в соответствующих замкнутых контурах будут компенсироваться управляющими воздействиями относительно оптимальных значений вопт, топт, аопт .

В режиме холостого хода, когда нагрузка отсутствует, дизель 1 работает на минимальной скорости вт, обеспечивающей 40 устойчивый режим работы установки. Этот скоростной режим определяется значением функции Wm = 1(Рн) при Рн = 0 (фиг.2).

Значение угла опережения впрыска в этом режиме вычисляется по зависимости vpnr= f(в) при в = (фиг.3).

Величина коэффициента избытка воздуха ао определяется по зависимости аопт

= f (в) при в = вп (фиг.4).

Относительно вп, vo, ап вычисляются сигналы ошибки, под воздействием которых органы регулирования займут соответствующие положения, обеспечивающие значения в(t), v(t) à(t), близкие к оптимальным

No, 1Ъ, ао дЛя рЕжИМа ХОЛОСТОГО ХОда.

Таким образом, на холостом ходу установка будет работать на минимально устой- . чивой частоте при минимальных значениях угла опережения впрыска и коэффициента избытка воздуха, обеспечивающих минимум расхода топлива и воздуха.

При набросе (сбросе) нагрузки Р 1 в момент времени tl выходной сигнал с датчика 6 активной мощности начинает изменяться. Следовательно, изменяются согласно зависимосТАМ вопт = 1(Рн), опт= f (в ),аопт= f(N ) оптимальные значения скорости вьпт, угла

ОПЕРЕЖЕНИЯ ВПРЫСКа и om1 И КОэффИЦИЕНта

ИЗбЫтКа ВОЗдуХа а,п,1 ВЫЧИСЛЯЕМЫЕ ПрацЕСсором 35. На начальном участке времени переходного процесса скорость изменения напряжения и тока генератора значительно выше скорости изменения текущих значений в(с)у(с),а (t), так как постоянные времени генератора и нагрузки намного меньше постоянных времени дизеля с турбокомпрессором. Поэтому в начале переходного п роцесса сигналы ошибки

Л в = в„,, — cU (t ), Л 1 = 1„,, — v (t ), Ла = а,п,„— а(с ) достигнут своих максимальных по модулю значений. Это приведет к перемещению исполнительных механизмов и связанных с ними соответствующих органов регулирования в положения, обеспечивающие приближение текущих значений в(с) 1 (t),à (t) к

ОПтИМаЛЬНЫМ Nonr1, >onr1. а„„1, а СИГНалов ошибки к нулю, При этом изменятся крутящий момент и мощность на валу двигателя. Переходный процесс закончится при равенстве моментов сопротивления и крутящего, а также эффективной мощности на валу и активной мощности в нагрузке с учетом потерь в генераторе.

При этом Р» будут соответствовать onтИМаЛЬНЫЕ ЗНаЧЕНИя В опт1, 1 опт1 . а опт1, Наличие в устройстве контуров управления скоростью, BflpblcKQM и наддувом с основными отрицательными обратными связями позволяет осуществить управление двигателем по отклонению скорости вращения вала от оптимального значения для данной нагрузки, по отклонению угла опережения впрыска и коэффициента избытка воздуха от оптимальных значений для выбранного скоростного режима. Кроме этого, в предлагаемой установке в замкнутом контуре управления наддувом учитываются текущие значения давления и температуры окружающей среды и предусматривается компенсация их влияния на рабочий процесс в двигателе, что обеспечивает возможность его работы с неизменной мощностью до расчетных значений пониженного давления и повышенной температуры окружающей среды, 1698468

12 а следовательно, позволяет поддерживать высокие значения КПД.

Таким образом, в результате такого управления в предлагаемом устройстве выбираются более экономичные по сравнению с прототипом режимы работы.

Формула изобретения

Автономная дизель-электрическая установка, содержащая дизель с турбокомпрессором и топливным насосом, электрический генератор с системами возбуждения и регулировки напряжения, кинематически связанный с валом отбора мощности дизеля, датчик частоты вращения коленчатого вала дизеля, датчик активной мощности, блок управления, вход которого связан с выходами датчиков, и исполнительный механизм, кинематически связанный с органом дозирования топливного насоса, а электрически — с выходом блока управления, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения экономичности, установка снабжена датчиком положения органа дозирования, датчиком угла опережения впрыска топлива, датчиком ча5 ñ5 N 1f стоты вращения турбокомпрессора, датчиком давления наддуваемого воздуха, датчиками давления и температуры окружающей среды, органом регулирования угла опере5 жения впрыска топлива с исполнительным механизмом, органом регулирования давления наддува с исполнительным механизмом и датчиком положения органа регулирования давления наддува, блок уп10 равления выполнен в виде управляющей микроЭВМ с шиной входных данных, блоком памяти с записанными в нем подпрограммами оптимизации, входными преобразователями по числу датчиков, вы15 ходными преобразователями по числу uclloëíèòåëьных механизмов, а также с процессором, шина входных данных выполнена в виде входа блока управления, а каждый выходной преобразователь выхо-20 дом связан с входом соответствующего исполнительного механизма, причем выходы выходных преобразователей выполнены в виде выхода блока управления, д ХУ М Ю

1698468

1698468

ИУби 0,756и

1693468

1698468

Фиг, Ю

Составитель Н.Руденко

Техред M.Moðãåíòàë Корректор И,Муска

Редактор Н.Горват

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, yn,Гагарина, 101

Заказ 4376 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., 4/5