СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОДИЗЕЛЯ
GAS DIESEL ENGINE CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам регулирования топливоподачи газодизелей, работающих на двух видах топлива. Изобретение может быть использовано для создания унифицированной системы регулирования в первую очередь стационарных, а также других типов двигателей на базе серийного регулятора частоты вращения без значительного изменения его конструкции.
Известны подобные устройства, используемые на серийных двухтопливных (газ и жидкое топливо) дизелях, включающих в себя газовую аппаратуру (смеситель газа и воздуха с системой тяг управления и заслонок), регулятор частоты вращения, топливную аппаратуру со специальной настройкой (Л.К Коллеров. Газовые двигатели поршневого типа. Изд-во «Машиностроение». Л., 1968., Дизели. Справочник // под ред. Ваншейдта В.А. Изд-во «Машиностроение», М. - Л., 1964, с. 562-581 (раздел восьмой).
Недостатками таких устройств являются:
- зависимость запальной подачи жидкого топлива от изменения нагрузки обусловливает в соответствие со статической характеристикой системы регулирования частоты вращения (САРч) превышение минимальной запальной дозы топлива при работе во всем рабочем диапазоне нагрузок;
- введение упругой связи на рейку топливного насоса высокого давления с ее последующей ручной фиксацией при переводе дизеля на газ не обеспечивает снижение запальной подачи до величины минимальной устойчивой из-за наличия ограничительной характеристики холостого хода регулятора, что способствует или появлению пропусков вспышек запального топлива, что ведет к неустойчивой работе газодизеля, или не обеспечивается минимальная запальная подача жидкого топлива;
- необходимость ручной коррекции качества газовоздушной смеси для предотвращения пропусков вспышек и обратных выбросов, связанных со снижением скорости сгорания обедненных смесей;
- использование системы для регуляторов прямого действия приводит к увеличению степени нечувствительности САРч из-за ввода дополнительных элементов привода, а степень неравномерности статической характеристики регулятора возрастает из-за использования дополнительных пружин, жесткости которых при работе системы приводятся к главной пружине регулятора;
- не обеспечивается безопасность эксплуатации при работе на газе, связанная с пропусками вспышек;
- не выполняется принцип «управление от одной ручки».
Наиболее близким к предлагаемому устройству регулирования топливоподачей газодизеля является система регулирования газодизеля, включающая в себя регулятор частоты вращения, главный рычаг, установленный с возможностью взаимодействия с муфтой, электромагнитный клапан подачи газа, орган дозирования топлива (рейка насоса высокого давления), кинематически и упруго через дополнительную пружину связанный с главным рычагом через тягу, при этом через дополнительный штифт перемещение главного рычага через вторую тягу кинематически и неразрывно за счет пружины связано с заслонкой газового смесителя, а ограничение запальной дозы жидкого топлива осуществлено за счет вводимого электромагнитным путем упора, связанного электрической цепью с электромагнитным клапаном подачи газа (см. патент RU №2257482 С2, МПК F02D 19/08 от 27.07.2005).
Однако недостатками этой известной системы регулирования газодизеля являются:
- жесткости дополнительных пружин приводятся к жесткости главной пружины, в результате изменяются суммарная жесткость приведенной пружины и общая степень неравномерности статической характеристики регулятора (статизм), что нарушает параметры настройки регулятора (см. действующий ГОСТ 10511-83);
- присоединение к регулятору дополнительных элементов привода заслонки и рычагов увеличивает силы сухого трения и, соответственно, степень нечувствительности системы, что делает в ряде случаев нереальным использование регуляторов прямого действия с их невысокой работоспособностью;
- требуется существенное изменение и усложнение конструкции регулятора с введением новых элементов (рычагов, штифта, пружины);
- фиксирование минимальной запальной подачи топлива с помощью устройства, включающего в себя электромагнитный клапан, в связи с наличием ограничительной статической характеристики холостого хода регулятора (ГОСТ 10511-83) при возрастании нагрузки и соответствующем снижении частоты вращения по статической характеристике приводит к снижению минимальной запальной подачи топлива, что вызовет неустойчивую работу ТНВД и последующие пропуски сгорания газовоздушной смеси (вплоть до остановки газодизеля), как минимум будет нарушено качество работы двигателя и безопасность эксплуатации;
- подача запальной дозы топлива регулируется винтом, а подача газа - изменением длины тяги, что постоянно требует подстройки системы;
- не выполняется принцип «управление от одной ручки».
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является обеспечение возможности применения регуляторов частоты вращения как прямого, так и непрямого действия, снижение минимальной устойчивой запальной подачи до величины порядка 10% от номинальной подачи, обеспечение параметров регулирования в соответствие со стандартами при минимальной модернизации регулятора частоты вращения, расширение области применения для всей номенклатуры используемых в эксплуатации двигателей, упрощение системы управления (по принципу управление «одной ручкой»).
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом техническом решении, включающем регулятор частоты вращения, смеситель воздуха и газа, клапан с электромагнитным управлением на подводе газа, выходной рычаг регулятора, с одной стороны кинематически связанный через тягу и пружину с рейкой топливного насоса высокого давления, с другой - с заслонкой на подводе газа в смеситель, отличающаяся тем, что согласно изобретению для фиксации рейки топливного насоса высокого давления в положение минимальной запальной подачи жидкого топлива при переходе на газ использован двухконтактный тумблер «Работа на газе» и соленоид с якорем, прижимающим рейку к направляющей и связанный электрической цепью с электромагнитным клапаном подачи газа.
Кроме того, на подводе газа к электромагнитному клапану установлено комбинированное реле давления, нормально разомкнутый контакт которого разрывает электрическую цепь электромагнитного клапана и соленоида при исчезновении давления газа на входе в смеситель для перевода работы двигателя на жидкое топливо.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фиг. 1 приведена схема системы регулирования газодизеля. Устройство содержит регулятор частоты вращения 1 с координатой задания режима (координатой настройки) 2 и выходным рычагом регулятора 13, связанным с одной стороны с помощью тяг 5 с заслонкой газа 4 в смесителе 3, с другой - через пружину 8 с рейкой топливного насоса высокого давления 12, которая фиксируется подвижным якорем соленоида 11, включенного в электрическую цепь, состоящую из нормально разомкнутого контакта рд/1 комбинированного реле давления КРД 7, аккумулятора 10, двухконтактного тумблера 9 «Работа на газе», при этом первый контакт тумблера обеспечивает включение соленоида 11, а второй - управляет включением электромагнитного клапана (ЭМК) 6.
Осуществление настоящего изобретения реализуется следующим образом. После пуска двигателя, его прогрева и вывода на работу на минимальных оборотах холостого хода путем воздействия на координату задания регулятора 2 для перевода дизеля на газ включают тумблер 9 в положение «Работа на газе». При наличии газа перед ЭМК 6 сработает КРД 7 и своим нормально разомкнутым контактом рд/1 замкнет электрическую цепь соленоида 11 и ЭМК 6, при этом рейка насоса высокого давления будет зафиксирована соленоидом 11 в положении минимальной подачи запального топлива, определяемой регулятором 1, а ЭМК 6 будет открыт. При изменении нагрузки на газодизель регулятор 1 выходным рычагом 13 в соответствии со статической характеристикой САРч воздействует через тяги 5 на открытие заслонки 4, при этом растягивается пружина 8 относительно зафиксированной соленоидом 11 рейки 12. При исчезновении газа в системе, например в аварийных обстоятельствах, КРД 7 своим нормально разомкнутым контактом рд/1 размыкает цепь соленоида 11 и ЭМК 6, при этом закрывается подвод газа к смесителю 3 при помощи ЭМК 6, а рейка 12 отпускается из фиксированного положения, а регулятор 1 переводит управление на работу на жидком топливе в соответствии со статической характеристикой САРч. Безусловно, при этом следует выключить тумблер 9. Достаточно просто эту операцию обеспечить автоматически путем введения дополнительного электрического реле, как это реализуется в промышленной автоматике.
При соответствующей предварительной стендовой настройке топливного насоса высокого давления на неравномерность подач по секциям насоса на режиме холостого хода перед началом эксплуатации газодизеля возможно обеспечение минимальной запальной подачи порядка 10% от номинальной подачи. В отличие от прототипа эта оптимальная настройка автоматически реализуется на всех режимах работы.
Пружину 8 целесообразно выполнить без межвиткового зазора (виток к витку), так как она работает на растяжение при переводе дизеля на газ. Ее жесткость следует выбирать из условия номинального хода рейки 12 так, чтобы силы сухого трения при перемещении ее были меньше усилия со стороны регулятора 1 при перемещении рычага 13, большем 0,05-0,1 номинального хода рейки. Известно, что сила сухого трения рейки для одной секции быстроходных и среднеоборотных дизелей на оборотах от 500 до 1500 об/мин составляет величину порядка 0,3…0,5 Н. Для многосекционных насосов высокого давления сила увеличивается пропорционально количеству секций (см. рис. 34 и текст 140-141 с. в кн. В.И. Крутов. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания. Изд-во «Машиностроение», М., 1968, 535 с.). Для регуляторов прямого действия такая пружина при работе на газе увеличит степень неравномерности статической характеристики (статизм) на величину, сопоставимую с погрешностью изготовления главной пружины регулятора по разбросу жесткости, что допустимо. Так, например, степень неравномерности статической характеристики транспортного дизеля находится в пределах 15-25%. Для регуляторов непрямого действия при работе на газе жесткость дополнительной пружины вообще не повлияет на статизм регулятора.
Новые существенные признаки предлагаемого устройства заключаются в том, что при переводе двигателя на газ после его запуска, прогрева и вывода на частоту вращения коленчатого вала холостого хода по номинальной статической характеристике системы автоматического регулирования путем включения двухконтактного тумблера «Работа на газе» первым контактом производится фиксация рейки топливного насоса высокого давления соленоидом в положении минимальной устойчивой подачи, вторым - открывается электромагнитный клапан на подводе газа в смеситель.
При условии наличия газа в системе включается комбинированное реле давления (КРД), которое своим нормально разомкнутым контактом (рд/1) замыкает электрическую цепь, состоящую из аккумулятора, соленоида, клапана газа с электромагнитным управлением (ЭМК) и тумблера, при этом срабатывает якорь соленоида, фиксируя рейку насоса высокого давления (ТНВД) в положении минимальной запальной подачи, а регулятор частоты своим выходным рычагом, растягивая слабую пружину относительно фиксированной рейки, начинает перемещать через тяги заслонку газа в соответствие с выбранной положением органа задания режима работы регулятора нагрузкой.
При прекращении подачи газа в системе питания двигателя, например при аварийной ситуации, нормально разомкнутый контакт КРД размыкает электрическую цепь, при этом закрывается ЭМК, отпускается якорь соленоида и двигатель переводится на режим потребления жидкого топлива, когда рейка ТНВД перемещается регулятором частоты в соответствии с нагрузочным режимом по статической характеристике САРч.
Совместное использование тумблера «Работа на газе» в единой электрической цепи с соленоидом, КРД и ЭМК позволяет автоматизировать процесс управления, сохраняя при этом функции автоматического регулятора частоты по обеспечению минимальной устойчивой запальной подачи и обеспечения нагрузки на двигатель по статической характеристике САРч при работе на газе. При отсутствии газа автоматически по сигналу КРД отпускается якорь соленоида, закрывается ЭМК, а регулятор выходит на управление рейкой ТНВД на жидком топливе во всем диапазоне принимаемой двигателем нагрузки.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, определяется совокупностью вышеуказанных существенных признаков, что и обеспечивает решение поставленной технической задачи и позволяет улучшить управление двигателем на режимах работы газодизеля при обеспечении минимальной запальной подачи жидкого топлива, а при отсутствии газа автоматически обеспечивает работу дизеля на жидком топливе во всем диапазоне нагрузок по статической характеристике регулятора.
Эффективность при использовании изобретения обеспечивается за счет повышения надежности работы устройства регулирования и управления топливоподачей газодизеля (работоспособность, безотказность, долговечность) вследствие упрощения конструктивной схемы и уменьшения количества элементов устройства, также снижаются затраты на модернизацию регулятора при уменьшении объема настроек. По сравнению с прототипом, в котором на каждом режиме необходимо регулировать положение упора электромагнитного клапана для обеспечения минимальной запальной подачи, в предлагаемом изобретении эта функция отсутствует. Все это повышает эффективность использования газодизеля в условиях его эксплуатации.
Особенностью предлагаемого изобретения является фиксация рейки в позиции минимальной запальной подачи путем прижатия соленоидом рейки к направляющей в положении, определяемом координатой задания регулятора при работе по статической характеристики САРч на режиме холостого хода при включении тумблера «Работа на газе».
Полезность заявляемого изобретения состоит в следующем.
Изобретение в отличие от прототипа может быть более эффективно использовано для создания унифицированной системы регулирования в первую очередь стационарных, а также других типов двигателей на базе серийного регулятора частоты вращения без значительного изменения его конструкции. При этом уменьшаются затраты на модернизацию регулятора. В данном случае изменению подлежит только конструкция выходного рычага регулятора, вводится дополнительная пружина, соленоид, двухконтактный тумблер и комбинированное реле давления.
На всех режимах работы обеспечивается минимальная запальная подача жидкого топлива при сохранении настроек САРч, что обеспечивает высокую эффективность использования газодизелей, особенно в условиях дефицита топлива и его высокой стоимости в условиях северных районов.
Использование устройства может быть применено как для дизелей с регуляторами непрямого действия, так и с регуляторами прямого действия. Полезность заключается также в возможности модернизации выпускаемых и находящихся в эксплуатации дизелей при конвертировании их в газодизели. При этом обеспечивается работа регулятора по ограничительной статической характеристике холостого хода и, следовательно, возможно обеспечение минимальной подачи запального топлива. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет снизить долю запального топлива, что дает экономический эффект особенно в условиях использования газодизелей в районах крайнего Севера, куда завоз дизельного топлива обходится чрезвычайно дорого, а при этом транзитные газотрубопроводы на данный период времени уже покрывают большую территорию от северных районов до юга страны. Многочисленные дизельные электростанции, например, на Дальнем Востоке, где уже проложена газопроводная система Сахалин-Владивосток, обеспечивающие энергией горнообогатительные комбинаты и поселки, по данным только ОАО «Востокзолото» крайне дорого обходятся в эксплуатации при работе на жидком топливе. Дизельное топливо завозится в бочках, которые в дальнейшем необходимо утилизировать или вывозить, а стоимость завоза топлива чрезвычайно высока