ГАЗОДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР С СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ И 16-ПОЗИЦИОННЫМ КОНТРОЛЛЕРОМ
GAS-DIESEL MOTOR GENERATOR WITH CONTROL SYSTEM AND A 16-POSITION CONTROLLER

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигатель-генераторам с двигателями внутреннего сгорания, работающими на дизельном и газовом топливах, и может использоваться для двигателей внутреннего сгорания, работающих на газомоторных топливах, таких как сжиженные углеводородные топлива, природный газ и другие.
Известен двигатель внутреннего сгорания, работающий по газожидкостному циклу, содержащий рабочие цилиндры с камерами сгорания и с коллекторами для подвода газа и воздуха, снабженный датчиком нагрузки и датчиками давления и температуры, установленными в каждой камере сгорания, каждый рабочий цилиндр двигателя снабжен управляемым электромагнитным клапаном подачи газа, система управления снабжена формирователем командных сигналов и блоком формирования сигналов с датчиков, а управляющая микроЭВМ снабжена вторым выходом, при этом исполнительный орган подачи жидкого топлива выполнен в виде топливного насоса высокого давления с электрогидравлическим исполнительным механизмом, подключенным к одному из выходов микроЭВМ, к другому выходу которой подключены через формирователь командных сигналов электромагнитные клапаны подачи газа, а датчики двигателя подключены к входу микроЭВМ через блок формирования сигналов с датчиков (SU 1 758 262 А1 кл. F02D 19/06).
Недостатком системы управления и системы регулирования подачи топлива этого двигателя является недостаточно эффективный выбор соотношения газообразного и жидкого топлив, при котором величина подачи запальной дозы жидкого дизельного топлива задается постоянной, а регулирование частоты вращения осуществляется за счет подачи газового топлива, что снижает приемистость двигателя из-за медленного регулирования подачи газообразного топлива.
Известна система подачи топлива газодизеля, содержащая линию подачи газа, связывающую источник газового топлива с впускным коллектором двигателя, линию питания жидким топливом с насосом высокого давления, снабженная электронным блоком управления, управляющим исполнительным устройством насоса высокого давления, механически связанным с рейкой топливного насоса высокого давления, электромагнитными клапанами подачи газа в цилиндры двигателя, исполнительным устройством управления заслонкой перепуска отработавших газов из выпускного коллектора во впускной в соответствии с входящими сигналами от датчиков температуры: охлаждающей жидкости, отработавших газов, воздуха, датчика давления газа, датчика положения рейки подачи топлива, датчика частоты вращения коленчатого вала, датчика положения верхней мертвой точки, датчика расхода воздуха, электронной педали подачи топлива, ручного регулятора подачи топлива, переключателя режима «Дизель-Газодизель», переключателя «Ручной-Автоматический» (RU 2 617 017 С1 кл. F02B 69/02, F02B 69/04).
Недостатком этой системы является сложность осуществления герметичности газоподающих трубопроводов из-за большого количества газовых стыков и повышения вероятности выхода из строя электромагнитных клапанов подачи газа в цилиндры двигателя. Также применение системы перепуска отработавших газов из выпускного коллектора во впускной может привести к воспламенению газовоздушной смеси в ресивере и цилиндрах двигателя.
В выше описанных устройствах не осуществляется расчет расхода дизельного и газового топлива на установившихся и переходных режимах. Контроль расхода топлива требует установки расходомерных устройств.
Целью изобретения является повышение экономичности расхода топлива газодизельным двигатель-генератором путем оптимизации соотношения воздуха, дизельного и газового топлива посредством электронного управления подачей топлива на установившихся и переходных режимах по позициям контроллера за счет контроля расхода топлива системой управления путем расчета, а также повышение надежности работы двигатель-генератора и системы управления за счет уменьшения количества газоподающего оборудования.
Поставленная цель достигается тем, что газодизельный двигатель-генератор с системой управления, содержащий 16-цилиндровый газодизельный двигатель внутреннего сгорания, нагружающее устройство в виде электрического генератора, установленного на одной раме с двигателем, линию питания дизельным топливом с насосами высокого давления, электромагнитные клапаны подачи дизельного топлива через форсунки в цилиндры двигателя, линию подачи газа, связывающую источник газового топлива через газоподающее устройство с впускным коллектором двигателя, датчики температуры, датчики давления, датчик частоты вращения вала двигателя, датчик положения распределительного вала двигателя, датчик нагрузки на клеммах генератора, переключатель режимов «Дизель-Газодизель», соединенные с системой управления двигатель-генератором, дополнительно снабжен устройством расчета нагрузки на клеммах электрического генератора, 16-позиционным контроллером, выдающим сигналы в систему управления двигатель-генератором на изменение частоты вращения двигателя и величины нагружения генератора в зависимости от текущей позиции контроллера, частоты вращения двигателя и давления газовоздушной смеси в ресивере, при этом система управления двигатель-генератором осуществляет изменение количества подаваемого дизельного и газового топлива в соответствии с картами подачи дизельного и газового топлива в зависимости от частоты вращения вала двигателя, текущей нагрузки на клеммах генератора и положения переключателя режимов «Дизель-Газодизель», а также в системе управления двигатель-генератором осуществляется расчет расхода дизельного и газового топлива на установившихся и переходных режимах.
На фигуре изображена схема газодизельного двигатель-генератора с системой управления и 16-позиционным контроллером.
Двигатель-генератор содержит: двигатель 1 внутреннего сгорания с рабочими цилиндрами, имеющими камеры сгорания 2, и соединенными с выпускным коллектором 3 и впускным ресивером 4, компрессор 5 и турбину 6, установленные на одном валу, нагружающее устройство 7 в виде генератора, линию подачи дизельного топлива, имеющую топливный бак 8, фильтр грубой очистки топлива 9, топливоподкачивающий насос 10, фильтр тонкой очистки топлива 11, топливные насосы высокого давления 12, электромагнитные клапаны 13 подачи дизельного топлива, форсунки 14 для каждого из цилиндров, линию подачи газового топлива, содержащую последовательно соединенные источник 15 газового топлива, вентиль 16, фильтр тонкой очистки газа 17, запорный электромагнитный клапан 18, свечной электромагнитный клапан 19, газоподающее устройство 20 подачи газа на вход в компрессор двигателя, затем во впускной ресивер, затем в цилиндры двигателя, датчики 21 температуры, датчики 22 давления, датчик 23 частоты вращения вала двигателя, датчик 24 положения распределительного вала двигателя, датчик 25 нагрузки на клеммах генератора, переключатель 26 режимов «Дизель-Газодизель» и 16-позиционный контроллер 27, соединенные кабельными линиями 28 с системой управления 29 двигатель-генераторном.
Действие схемы газодизельного двигатель-генератора с системой управления и 16-позиционным контроллером заключается в следующем.
При работе газодизельного двигатель-генератора с системой управления постоянно осуществляется опрос и сбор информации с датчиков температуры, датчиков давления, датчика частоты вращения вала двигателя, датчика положения распределительного вала двигателя, датчика нагрузки на клеммах генератора, переключателя режимов «Дизель-Газодизель» и 16-позиционного контроллера.
При положении переключателя режимов «Дизель-Газодизель» в режиме «Дизель» работа двигатель-генератора осуществляется только на дизельном топливе. В любом положении 16-позиционный контроллер выдает в систему управления сигнал о заданной частоте вращения и допустимой нагрузке на нагружающее устройство, при этом в системе управления двигатель-генератором осуществляется сравнение текущей и заданной частоты вращения и нагрузки на клеммах нагружающего устройства.
Изменение частоты вращения и поддержание заданной частоты вращения двигателя осуществляется системой управления путем изменения длительности подачи дизельного топлива посредством управления электромагнитными клапанами подачи дизельного топлива, установленными после топливных насосов высокого давления. При этом темп изменения длительности подачи дизельного топлива рассчитывается системой управления по картам подачи дизельного топлива в зависимости от значений частоты вращения двигателя, мощности нагружающего устройства в процентах от максимально возможной и величины давления и температуры воздуха во впускном ресивере. Также системой управления осуществляется расчет расхода дизельного топлива в каждый момент времени на основании длительности подачи дизельного топлива и карт коэффициентов коррекции расхода, определяемых при стендовых испытаниях.
Ограничение нагрузки на нагружающем устройстве осуществляется системой управления двигатель-генератором посредством выдачи соответствующего сигнала на нагружающее устройство или сигнала на ограничение нагрузки в систему управления потребителями, при этом темп изменения нагрузки рассчитывается системой управления в зависимости от значений частоты вращения двигателя и мощности нагружающего устройства в процентах от максимально возможной.
В системе управления при проведении испытаний двигатель-генератора настраиваются время перехода между позициями контроллера и карты изменения темпа набора частоты вращения и нагрузки нагружающего устройства, а также темп снижения частоты вращения и нагрузки нагружающего устройства, в зависимости от давления воздуха во впускном ресивере. Полученные карты настроек могут быть скопированы и перенесены для каждого газодизельного двигатель-генератора с 16-позиционным контроллером, в который входят однотипные: турбина, компрессор, двигатель, нагружающее устройство.
При включении переключателя «Дизель-Газодизель» в положение «Газодизель» система управления двигатель-генератором получает сигнал о переходе режима работы в «Газодизель», и при позиции 16-позиционного контроллера отличной от нуля система управления закрывает свечной электромагнитный клапан и открывает запорный электромагнитный клапан, газообразное топливо поступает от источника газового топлива к газоподающему устройству. После достижения требуемого давления газового топлива перед газоподающем устройством по данным с датчика давления газа и требуемой температуры охлаждающей жидкости по данным с датчика температуры охлаждающей жидкости система управления регулирует угол открытия газоподающего устройства, выполненного в виде поворотной заслонки с датчиком положения, обеспечивая подачу газового топлива на вход компрессора двигателя и через впускной ресивер в цилиндры двигателя, где газовоздушная смесь воспламеняется дизельным топливом. При этом на установившихся и переходных режимах в системе управления постоянно происходит расчет расхода дизельного топлива. Изменение угла открытия газоподающего устройства происходит до достижения поля значений минимального расхода дизельного топлива для обеспечения запальной дозы и воспламенения газовоздушной смеси по картам зависимости минимального расхода дизельного топлива от частот вращения двигателя, мощности нагружающего устройства и давления во впускном ресивере, а также карты максимального значения угла открытия газоподающего устройства в зависимости от измеренной мощности нагружающего устройства. При недостатке газообразного топлива и, как следствие, максимального угла открытия газоподающего устройства для текущей мощности изменение угла открытия газоподающего устройства прекращается и значение минимального расхода дизельного топлива не достигается, при этом выдается предупреждающий сигнал в систему управления о неисправности подачи газового топлива.
По данным об угле открытия газоподающего устройства, давлению и температуре газового топлива перед газоподающем устройством, давлению перед компрессором и картам коррекции коэффициентов расхода газового топлива в системе управления происходит расчет расхода газового топлива для установившихся и переходных режимов.
При изменении позиции 16-позиционного контроллера в режиме «Газодизель» системой управления осуществляется одновременное регулирование угла открытия газоподающего устройства и длительности подачи дизельного топлива по картам изменения соответствующих параметров, за счет чего достигается экономия расхода дизельного топлива и снижение токсичности вредных выбросов двигателя.
При включении переключателя «Дизель-Газодизель» в положение «Дизель» или перевода 16-позиционного контроллера в положение нулевой позиции система управления закрывает запорный электромагнитный клапан, перекрывая подачу газообразного топлива к газоподающему устройству, и открывает свечной газовый клапан. Далее работа двигатель-генератора осуществляется на дизельном топливе до изменения положения 16-позиционного контроллера и положения переключателя «Дизель-Газодизель».
Предлагаемый газодизельный двигатель-генератор с системой управления и 16-позиционным контроллером обеспечивает более простую конструкцию и настройку регулировки работы двигатель-генератора, высокую надежность, автоматизированный перевод двигателя на газодизельный процесс, автоматизированную подачу жидкого и газообразного топлива при изменении скоростного и нагрузочного режимов работы и улучшение топливной экономичности двигателя за счет замещения жидкого топлива газом на переходных и стационарных режимах.