УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТОПЛИВОПОДАЧЕЙ ГАЗОДИЗЕЛЯ
GAS ENGINE FUEL FEED CONTROL DEVICE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам регулирования и управления топливоподачей газодизелей.
Известны подобные устройства, используемые на серийных двухтопливных дизелях (газ и жидкое топливо), включающих в себя газовую аппаратуру, смеситель газа и воздуха с системой тяг управления и заслонок, регулятор частоты вращения, как правило, непрямого действия, 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:
1) зависимость запальной подачи жидкого топлива от изменения нагрузки обусловливает в соответствии со статической характеристикой системы регулирования частоты вращения (САРч) превышение минимальной запальной дозы топлива при работе во всем рабочем диапазоне нагрузок;
2) введение упругой связи на рейку топливного насоса высокого давления с ее последующей фиксацией при переводе дизеля на газ не обеспечивает снижение запальной подачи до величины порядка 10% от номинальной из-за наличия ограничительной характеристики холостого хода регулятора, что способствует появлению пропусков вспышек запального топлива и ведет к неустойчивой работе газодизеля;
3) необходимость ручной коррекции качества газовоздушной смеси для предотвращения пропусков вспышек и обратных выбросов, связанных со снижением скорости сгорания обедненных смесей;
4) применение 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, жесткость которых при работе системы приводится к главной пружине;
5) не обеспечивается безопасность эксплуатации при работе на газе;
6) не выполняется принцип «управление от одной ручки».
Известно устройство регулирования и управления топливоподачей газодизеля, включающее в себя регулятор скорости с муфтой, главный рычаг, установленный с возможностью взаимодействия с муфтой, орган дозирования топлива, кинематически и упруго через дополнительную пружину связан 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 (патент RU №2257482 С2, МПК F02D 19/08 от 27.07.2005).
Недостатками этой известной системы регулирования газодизеля являются:
1) жесткости дополнительных пружин 6 и 13 приводятся к жесткости главной пружины, в результате возрастает суммарная жесткость приведенной пружины и увеличивается общая степень неравномерности статической характеристики регулятора (наклон), что нарушает параметры настройки регулятора (см. действующий ГОСТ 10511-83);
2) присоединение к регулятору дополнительных элементов привода заслонок увеличивает силы сухого трения и соответственно степень нечувствительности системы, что делает нереальным использование регуляторов прямого действия с их невысокой работоспособностью;
3) фиксирование минимальной запальной подачи топлива с помощью устройства 17 в связи с наличием ограничительной статической характеристики холостого хода регулятора (см. черт. 2 ГОСТ 10511-83) при возрастании нагрузки и соответствующем снижении частоты вращения по статической характеристике приведет 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;
4) не выполняется принцип «управление от одной ручки».
Наиболее близким к предлагаемому устройству регулирования и управления топливоподачей газодизеля является система регулирования газодизеля, включающая в себя газовую аппаратуру, воздухотрубопровод, снабженные заслонками и тягами управления, смеситель, регулятор частоты вращения, топливный насос высокого давления (ТНВД), привод от регулятора на рейку ТНВД и заслонки по воздуху и газу, усилитель мощности (УМ) с гибкой обратной связью, вход которого связан с выходным рычагом регулятора, а выход УМ  соединен тягой привода заслонки газа, снабженной возвратной пружиной, при этом заслонка газа связана с приводом воздушной заслонки с возвратной пружиной и настроечным устройством, ограничивающим ее перемещение с одной стороны, а с другой - регулирующей соотношение газ-воздух на подводе в смеситель, при этом воздушная заслонка соединена разобщительной тягой с зазором с выходным рычагом регулятора таким образом, что позиция регулятора при запальной подаче топлива соответствует минимальному открытию заслонки, определяемому настроечным устройством, а при отключении газа - открывается регулятором пропорционально нагрузке с выборкой зазора при достижении 30% нагрузки (Заявка RU 2010118926, МПК F02D 19/08, 20.11.2011).
Недостатками данной системы регулирования газодизеля являются:
1) усложненная конструктивная схема при применении усилителя мощности с гибкой обратной связью;
2) наличие избыточных и последовательно расположенных элементов (катаракт с пружиной) снижает работоспособность, безотказность и долговечность усилителя мощности и устройства в целом;
3) усложняется настройка усилителя мощности с гибкой обратной связью (подбор положения иглы катаракта при настройке системы);
4) возрастает стоимость изделия при применении усилителя мощности с гибкой обратной связью.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание устройства регулирования и управления газодизелем, обеспечение применения регуляторов частоты вращения как прямого, так и непрямого действия, упрощение устройства и его настройки, снижение стоимости изготовления при повышении надежности изделия, снижение запальной подачи до величины порядка 10% от номинальной подачи, обеспечение параметров регулирования в соответствии со стандартами, упрощение системы управления (по принципу управление «одной ручкой»).
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом техническом решении, включающем газовую аппаратуру, воздухотрубопровод, воздушную и газовую заслонки, тяги управления, смеситель, регулятор частоты вращения, топливный насос высокого давления (ТНВД), привод от регулятора на рейку ТНВД, настроечное устройство, усилитель мощности (УМ), микровыключатель с приводом от УМ, устройство для разобщения рейки ТНВД от регулятора и отличающемся тем, что устройство содержит усилитель мощности без обратной связи, вход которого связан с выходным рычагом регулятора и рейкой ТНВД через свободно подвешенный рычаг, а выход - с газовой заслонкой.
Новые существенные признаки изобретения заключаются в том, что применен УМ без обратной связи вместо усилителя мощности с гибкой обратной связью, что позволяет существенно упростить устройство регулирования и управления газодизелем вследствие упрощения конструкции (устранение упруго присоединенного катаракта с пружиной) и кинематики передачи регулирующего воздействия на вход УМ, и, как следствие, при этом обеспечивается снижение стоимости изделия, повышается надежность и упрощается настройка устройства при выполнении им тех же функций.
Применение новых существенных признаков осуществлено путем замены УМ с гибкой обратной связью на УМ без обратной связи при сохранении тех же выполняемых функций при упрощении конструкции, снижении стоимости изготовления и повышении надежности функционирования.
Технический результат при использовании УМ без обратной связи достигается тем, что при упрощении конструкции, снижении стоимости изделия, повышении его надежности и при упрощении настройки устройства обеспечивается независимое от регулятора управление подачей газа и воздуха для любых режимов нагружения с автоматической коррекцией состава газовоздушной смеси и возможностью ее подстройки. При этом регулятор работает по ограничительной статической характеристике холостого хода и обеспечивается минимально возможная подача запального топлива. Независимое регулирование подачей газа и запального топлива позволяет использовать все типы серийных регуляторов без ухудшения параметров регулирования.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
на фиг. 1 приведена схема устройства регулирования и управления газодизелем;
на фиг. 2 - схема установки микровыключателя и электромагнитного клапана подвода газа;
на фиг. 3 - схема разобщительного устройства в приводе от регулятора на рейку ТНВД.
Устройство (фиг. 1) содержит регулятор частоты вращения 1 с координатой задания режима (координатой настройки) 3 и выходным рычагом регулятора 14, усилитель мощности 2 без обратной связи, вход которого связан с выходным рычагом регулятора 14 через свободно подвешенный рычаг 4, а выход УМ связан с возвратной пружиной 6 и заслонкой газа 7, которая, в свою очередь, кинематически связана через настроечное устройство соотношения газ-воздух 8 с воздушной заслонкой 11 с регулируемым ограничителем 10 и возвратной пружиной 12, а разобщительная тяга 15 соединена с входом управляющего устройства (УУ) 13 и выходным рычагом регулятора 14 и обеспечивает зазор h в соединении с воздушной заслонкой 11.
Усилитель мощности 2 - это стандартно используемый известный элемент автоматики, который может применяться как самостоятельно, так и в составе сложных структур, например в регуляторах непрямого действия (частоты вращения, давления, уровня и т.п.), см. кн. Крутов В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания. М., Изд-во «Машиностроение», 1979 г., 616 с. или в кн. Л.И. Кутьина Автоматизация судовых дизельных и газотурбинных установок. Изд-во «Судостроение», Л., 1973 г., 383 с. Назначение УМ - преобразование слабого входного сигнала в мощный выходной сигнал, необходимый для управления объектами или их элементами. В данном случае входной сигнал вырабатывается регулятором частоты вращения 1 в виде перемещения выходного рычага 14, далее через управляющее устройство 13 УМ, например, гидравлического типа сигнал преобразуется в силовой, достаточный по мощности для управления приводом заслонок по газу 7 и воздуху 11. Принципиально УМ может быть выполнен как элетрическим, так и пневматическим. В данном случае гидравлический УМ выполнен без обратной связи, для реализации поставленной задачи путем разделения функций управления запальной подачи топлива самим регулятором и управления через усилитель мощности газовой составляющей. Это составляет ноу-хау предлагаемого изобретения.
Устройство работает следующим образом. Обеспечивается раздельное регулирование и управление подачи запального топлива и подвода к смесителю газа и воздуха. Регулятор скорости 1 после запуска двигателя обеспечивает положение рейки 16 ТНВД 17 в позиции минимальной запальной подачи (см. фиг. 1). При этом УМ 2, получив значение входной координаты на УУ 13, обеспечивает крайнюю левую позицию выходной координаты, заслонка газа 7 закрыта, а микровыключатель 19 (см. фиг. 2) через электромагнитный клапан 21 отключает подачу газа. При увеличении нагрузки в соответствии со статической характеристикой регулятора 1 начинается перемещение выходного рычага регулятора 14 и УУ 13 усилителя мощности 2 через свободно подвешенный рычаг 4. Исполнительный механизм ИМ 5 УМ 2 начинает перемещать заслонку газа 7 в сторону увеличения открытия, при этом электромагнитный клапан 21 (фиг. 2) открыт с помощью микровыключателя 19 (см. фиг. 2) через электрическую схему включения электромагнитного клапана 21. Открытие заслонки газа 7 пропорционально нагрузке, а так как нагрузка компенсируется газовой составляющей топлива, то регулятор 1 возвращает рейку 16 в исходное положение минимальной запальной подачи. Таким образом, тенденции отклонения выходного рычага регулятора 14 вызывают перемещение выхода УМ с обеспечением добавленной нагрузки за счет газовой части топлива. При этом восстанавливается заданный скоростной режим двигателя и тем самым выполняется функция управления регулятором по обеспечению минимальной запальной подачи независимо от нагрузки (фактически за счет раздельного управления подачей запального топлива и газа). При возрастании нагрузки увеличивается соответственно и подача газа через заслонку газа 7, а количество воздуха определяется открытием воздушной заслонки 11, кинематически связанной с заслонкой газа 7. Подрегулировка соотношения газ-воздух обеспечивается настроечным устройством 8. Таким образом, возможно обеспечить оптимальный состав газовоздушной смеси, исключив тем самым вредные для рабочего процесса двигателя пропуски сгорания и обратные вспышки, характерные для обедненной смеси при оптимальном составе смеси по экономичности и экологичности работы двигателя на полных режимах. Предусмотренный зазор h в разобщительном устройстве привода воздушной заслонки 11 позволяет регулятору 1 реагировать на мгновенные отклонения регулируемого параметра при изменении нагрузки без присоединения дополнительной пружины 12 и добавочных сил сухого трения в приводе воздушной заслонки, которые могли бы изменить наклон статической характеристики и степень нечувствительности регулятора. И только при отсутствии питания газом происходит переход двигателя на жидкое топливо с несколько ухудшенными параметрами САРч за счет влияния дополнительной пружины 12 и сил сухого трения, но и то только при использовании регуляторов прямого действия. В случае аварийной ситуации (либо по превышению параметра, либо в случае необходимости останова двигателя) путем нажатия на кнопку «аварийный останов» с нормально разомкнутыми контактами в электрической цепи с электромагнитным стоп-устройством 23 в виде соленоида с воздействием на рейку 16 ТНВД 17 и переводом ее в нулевую подачу (фиг. 3), для чего предусмотрены разобщительные устройства 22 на тяге 15 и в приводе рычага 9 (см. фиг. 3), при этом выход ИМ 5 в крайнюю левую позицию приводит к срабатыванию микровыключателя 19 (см. фиг. 2) и прекращению подачи газа. При этом возможно путем регулировок топливной аппаратуры и применения дополнительных элементов, повышающих межцикловую стабильность подач, обеспечить минимальную запальную подачу до величины порядка 10% от номинальной. Устройство регулирования и управления обеспечивает точное регулирование частоты вращения при работе на газодизельном цикле (регуляторная характеристика имеет 0-ю степень неравномерности), а при переходе на жидкое топливо система имеет статическую характеристику, определяемую регулятором частоты вращения. Управление обеспечивается «одной ручкой».
Технический результат 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, при этом уменьшаются затраты на изготовление (отсутствие упруго присоединенного катаракта). Уменьшается объем настроек, так как гибкая обратная связь требует подстройки катаракта путем регулировки положения его иглы. Использование устройства может быть применено как для дизелей с регуляторами непрямого действия, так и с регуляторами прямого действия. Главный технический результат заключается 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 минимально возможной подачи запального топлива. Предлагаемое устройство за счет независимого управления подачей жидкого топлива и газа 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 транзитные газотрубопроводы на данный период времени покрывают территорию от северных районов до юга страны.