Электронные системы управления подачей газа в цилиндры газотепловозов

Электронные системы управления подачей газа в цилиндры газотепловозов

Д.Н. Григорович, ведущий научный сотрудник ВНИИЖТ, к.т.н.

На маневровых газотепловозах ТЭМ2Г и ТЭМ18Г используется в качестве топлива компримированный природный газ с запальной порцией (около 15%) дизельного топлива. Газ в цилиндры дизеля подается через механические клапаны, приводимые в движение распределительным валом дизеля. Газотепловозы прошли наладочные и доводочные испытания на экспериментальном кольце ВНИИЖТ (г. Щербинка), а опытные газотепловозы ТЭМ18Г-001 и -002 с конца 2000 г. находятся на эксплуатационных испытаниях на маневровой работе сначала в депо Ховрино Октябрьской ж. д., затем в депо Лихоборы Московской ж.д. и в депо Свердловск-Сортировочный Свердловской ж.д.

В целом результаты испытаний подтвердили работоспособность газовых систем тепловозов и возможность получения значительного эффекта от применения природного газа в качестве моторного топлива на тепловозах. Замещение дизельного топлива природным газом, в зависимости от рода маневровой работы, составляет от 35 до 50%, что обеспечивает экономию денежных средств на приобретение моторного топлива от 17 до 25%.

Неисправности газотепловозов, проявившиеся в эксплуатации, явились в основном следствием двух факторов - несовершенства конструкции отдельных узлов и некачественного их изготовления. К таким узлам в первую очередь можно отнести газовые клапаны.

Первые газовые клапаны были разборной конструкции. Несовершенством таких клапанов является то, что требуется периодическая проверка крепления ширмы, а также не обеспечивается необходимая прецизионность пары «ширма - направляющая втулка». Последнее вызывает увеличение угла опережения подачи газа в цилиндр и ухудшает процесс сгорания газовоздушной смеси. Модернизированный клапан выполнен цельным, вместе с ширмой, уменьшен зазор между ширмой и направляющей втулкой, введены галтели в месте

перехода опорной поверхности клапана со стержнем штока. Однако механический газовый клапан остается слабым звеном конструкции газотепловоза.

В автомобильных газовых двигателях широко используется электромагнитный клапан подачи топлива. До последнего времени использование таких клапанов для подачи газа в цилиндры тепловозных газодизелей не могло быть реализовано, главным образом, из-за отсутствия подходящих клапанов, которые могли бы обеспечить необходимый расход газа и при этом не сильно уступать автомобильным клапанам в быстродействии. В настоящее время ряд российских и зарубежных фирм освоил выпуск электромагнитных клапанов высокого быстродействия и достаточного для тепловозных дизелей проходного сечения. Тем не менее, пока в серийном производстве нет клапана, полностью соответствующего всем требованиям тепловозного газодизеля.

Высокое быстродействие и достаточно большая пропускная способность электромагнитного клапана достигается, как правило, увеличением рабочего тока. А большой импульсный ток разогревает катушку клапана и создает сильные помехи для управляющих цепей и электрооборудования тепловоза. Разогрев катушки клапана ведет к уменьшению

межвитковой изоляции, что снижает срок службы клапана.

Привод механических газовых клапанов производится через рычаг впускных клапанов кулачкового вала. Расход газа регулируется плунжерными дозаторами, расположенными перед газовыми клапанами.

Механический привод газового клапана имеет ряд недостатков: скрытые дефекты изготовления, проявляющиеся через определенное время; обратное перетекание газа по ширме клапана, вызванное некачественным обеспечением необходимой прецизионности пары «ширма - направляющая втулка»; потребность периодической смазки. Некачественное изготовление газового клапана приводит к повреждению крышки отсека распределительного вала, поршня и гильзы цилиндра. В результате дефекта изготовления клапана может произойти излом штока клапана (рис. 1) и его заклинивание. Это приводит к неуправляемому процессу подачи газа в цилиндр и в полость клапанной коробки, вызывает резкое повышение температуры сгорания в цилиндре и, в конечном счете, повреждение крышки отсека, поршня и гильзы цилиндра.

Испытания газовых тепловозов показали, что на промежуточных режимах механическая система управления газовыми клапанами в ряде случаев не обеспечивает устойчивую работу дизеля и не позволяет в полной мере реализовать оптимальные расходные характеристики. Главными отличиями промежуточных режимов от номинального являются более низкая частота вращения коленчатого вала и более низкая цикловая подача. Эти факторы ведут к увеличению времени задержки воспламенения и сдвигу угла начала видимого горения в сторону ВМТ, что в свою очередь снижает коэффициент активного тепловыделения и ухудшает рабочий процесс.

Еще одним фактором ухудшения рабочего процесса с учетом низких запальных порций дизельного топлива, характерных для промежуточных режимов работы тепловозов на газодизельных циклах, может быть разброс индивидуальных характеристик цилиндров - таких, как газоплотность и степень сжатия. Особенно это заметно при работе на четвертой позиции контроллера машиниста, где запальная порция топлива даже меньше цикловой подачи холостого хода, что при плохой настройке топливной аппаратуры приводит к пропускам вспышек (рис. 2).

Одним из перспективных направлений решения указанных проблем является использование электромагнитных клапанов для подачи газа в цилиндры дизеля. Возможности электронной системы управления

позволят не только точно открывать и закрывать клапаны, но и использовать обратную связь с объектом для корректировки алгоритма управления. Главными преимуществами электромагнитных клапанов являются точное регулирование угла оптимального процесса (отсутствует обратное перетекание газа через клапан) и возможность регулировки (угол начала подачи, длительность подачи) по режимам работы и с учетом индивидуальных особенностей цилиндра.

До последнего времени использование электромагнитных клапанов не представлялось возможным, так как существующие клапаны не соответствовали требуемым характеристикам, главными из которых являются быстродействие, большой срок службы и достаточная для тепловозного дизеля расходная характеристика. Современные технологии сделали задачу разрешимой.

Сотрудниками ВНИИЖТ разработана система электронной подачи газа в цилиндры дизеля. Первая проверка работы системы прошла на маневровом газотепловозе ТЭМ2Г, на крышках цилиндров которого были установлены электромагнитные клапаны типа ФУРСД-75 (рис. 3).

В схему управления подачи газа в цилиндры дизеля тепловоза входят: шесть электромагнитных клапанов в соответствии с числом цилиндров дизеля; управляющий электронный блок на базе микроконтроллера; силовой блок с мощными транзисторами, предназначенными для открытия

клапанов; источник питания. Для записи в микросхемы памяти управляющего блока программы управления клапанами используется компьютерная программа, позволяющая устанавливать и передавать в память микроконтроллера временные характеристики импульсов управления клапанами.

Первые испытания газодизельного тепловоза ТЭМ2Г с электромагнитными клапанами для подачи газа в цилиндры дизеля не дали положительных результатов. Удельный эффективный расход эквивалентного топлива был выше, чем при работе тепловоза на чисто дизельном топливе и при работе на газе с механическими клапанами. Не удалось добиться и устойчивой работы газодизеля без пропусков вспышек на всех режимах. Дополнительное исследование показало: главной причиной неудовлетворительных результатов оказались примененные электромагнитные клапаны.

Используемые клапаны типа ФУРСД-75 с активным сопротивлением катушек около 10 Ом оказались непригодны для длительной работы. Сопротивление катушек клапанов уменьшалось в процессе эксплуатации, что вело к изменению управляющего тока и режимов работы управляющих транзисторов, а также к ухудшению скоростных характеристик срабатывания клапанов. Попытки минимизировать негативное влияние

Рис. 3. Электромагнитные клапаны подачи газа типа ФУРСД-75 на цилиндрах газодизельного тепловоза ТЭМ2Г

ГШ

Транспорт на КПГ

вышеперечисленных факторов путем уменьшения действующего значения тока, протекающего через клапан, приводили к неполному открытию проходного сечения и недостаточному количеству цикловой подачи газа, что было определено по индикаторным диаграммам.

Для уменьшения действующего значения тока клапана были проверены два варианта: введение в силовую цепь клапана гасящего резистора и поддержание клапана в открытом состоянии импульсами частотой несколько килогерц. Применение гасящего резистора снизило средний ток клапана, но при этом уменьшилась степень открытия клапана. Частотный сигнал поддержания клапана в открытом состоянии попутно создал сильные помехи для электрической схемы тепловоза.

Увеличение давления газа, для компенсирования неполного открытия клапана также не дало ожидаемых результатов. В этом случае увеличивалось время открытия клапана и ухудшалось качество смесеобразования газа с воздухом, что вело к ухудшению качества рабочего процесса.

Причинами неустойчивой работы клапанов стали конструктивные просчеты - качество пропитывающего материала, обеспечивающего межвит-ковую изоляцию, не соответствовало энергии, рассеиваемой на катушке клапана при протекании по ней тока. Задача правильного выбора электромагнитного клапана потребовала детального рассмотрения процесса его работы.

Перемещение штока клапана в зависимости от времени описывается третьим законом Ньютона:

т ^=рэМФ]-ьр

где т - масса всех подвижных деталей системы, кг;

х(У - перемещение клапана, м;

ГЭМ - сила, действующая на якорь электромагнита, Н;

/ - ток в обмотке электромагнита, А;

Ар - перепад давления на клапане, Па;

5 - площадь проходного сечения клапана;

к - жесткость возвратной пружины клапана, Н/м;

х0 - предварительная затяжка пружины, м.

Левая часть уравнения, равная произведению массы всех подвижных деталей клапана и ускорения, описывает закон движения тела, к которому приложены внешние силы. Правая часть уравнения показывает эти силы. В момент открытия клапана сила ГЭМ, действующая на якорь электромагнита, преодолевает жесткость возвратной пружины и силу сопротивления среды. Соотношение этих сил определяет скорость движения штока и время открытия клапана. При закрытии клапана сила ГЭМ не действует, а скорость движения штока и время закрытия определяются, главным образом, жесткостью возвратной пружины клапана. Сила сопротивления среды пропорциональна перепаду давления на клапане и значительно уменьшается при открытом клапане.

Таким образом, открытие клапана обеспечивает электромагнитная сила, определяемая свойствами катушки клапана и величиной приложенного напряжения, а закрытие - механическая сила, определяемая жесткостью возвратной пружины и конструкцией клапана. Сила, действующая на шток клапана в момент его закрытия и определяющая время его закрытия, является неотъемлемым атрибутом конкретного клапана, а электромагнитную силу открытия клапана можно формировать электронным блоком управления.

Сила ГЭМ, действующая на якорь электромагнита, зависит от тока катушки клапана и от его индуктивности:

Ток, протекающий через катушку клапана, зависит от приложенного напряжения, активного и индуктивного сопротивления клапана. Индуктивность клапана меняется при перемещении якоря. Если на катушку клапана подать напряжение и, то

уравнение электрического состояния цепи имеет вид:

y = /(i)r+dL[x(M_ (3) w dt

Учитывая линейный характер индуктивности, второе слагаемое выражения (3) можно разложить, как производную произведения двух функций. Тогда уравнение электрического состояния цепи примет следующий вид:

^•/M+M 'f .

Индуктивность катушки клапана зависит от ее длины l, числа витков N, диаметра витков S и определяется по формуле:

L = fM^l ,

где ц0 - магнитная постоянная;

ц - относительная магнитная проницаемость среды.

Систему уравнений (1), (2) и (4) с учетом (5) можно решить с помощью компьютера численными методами с фиксированным шагом. Индуктивность и активное сопротивление катушки клапана являются его паспортными данными. Задавая закон движения якоря клапана и величину напряжения, можно определить ток, протекающий по катушке клапана, и затраченную на открытие и закрытие клапана энергию.

Проведенные расчеты показали, что для открытия электромагнитного клапана типа ФУРСД-75 за 3 мс (при равноускоренном движении якоря) стартовое значение тока катушки клапана должно составлять 43А, что выше конструктивных пределов клапана.

Вследствие отсутствия подходящих электромагнитных клапанов российского производства было принято решение рассмотреть предложения зарубежных фирм «Bosch», «Burkert» и «Megasol», достигших наибольших успехов в производстве электромагнитных клапанов. Скоростные и нагрузочные характеристики клапанов определялись по зависимостям (1), (2), (4) и (5). Расчеты показали, что для обеспечения времени открытия 5 мс, ток открытия клапанов швейцарской фир-

щЩД dflm-аа»ШШ ..."tfci-rr..... дДгс^ДИЙН!—«Транспорт на альтернативном топливе» № 1 январь 2008 г.

мы «Megasol» превысит 10 А. Такой большой ток может отрицательно сказаться на надежности клапана. Клапаны фирмы «Bosch» при незначительном преимуществе в характеристиках стоят в несколько раз дороже клапанов других фирм.

Для проведения испытаний были выбраны электромагнитные клапаны немецкой фирмы «Burkert». Эти клапаны проигрывают клапанам фирмы «Megasol» по быстродействию, но позволяют достичь времени открытия около 7 мс при пусковом токе 400 мА. Запаздывание открытия можно скомпенсировать небольшим опережением начала открытия.

Для выбора клапана по расходным характеристикам была использована методика фирмы «Burkert». В формулах для определения расхода газа через клапан используются следующие обозначения:

p1 - давление до клапана, бар; p2 - давление после клапана, бар; Ap =p2-p, - перепад давления на клапане, бар;

W - расход газа, кг/ч; pg - плотность газа при 0°С и давлении 1013 мбар, кг/м3;

T1 - температура до клапана, К; K - расход газа, проходящего через клапан, при падении давления на клапане до 1 бар.

р.

Для случая, когда Рг>у,формула расхода имеет вид:

W = 5\9KV.

Р/Ч>Р2 Т,

/ч

. Pl

Для случая, когда Л<у,формула

расхода имеет вид:

W = 259.5дЛГ,

кгЫ .

При проведении стендовых испытаний клапанов сжатым воздухом были проверены режимы длительной работы и расходные характеристики. При часовой работе клапана в импульсном режиме температура катушки не превысила 40°С. Пропусков срабатывания зафиксировано не было. Расходные характеристики клапана соответствовали его паспортным данным.

Проведенные ранее испытания газодизельного тепловоза ТЭМ2Г с подачей газа через электромагнитные клапаны выявили существенный недостаток алгоритма управления, так как программы управления были привязаны к фиксированной частоте вращения коленчатого вала дизеля по позициям контроллера машиниста. Во время переходных процессов, которые неизбежны в ходе эксплуатации тепловозов, частота вращения коленчатого вала дизеля нестабильна и подача газа в цилиндры двигателя не соответствовала тактам работы. Это приводило к пропускам вспышек и неустойчивой работе дизеля в целом. Кроме того, частота вращения коленчатого вала дизеля по позициям контроллера может отличаться

от заводских паспортных данных вследствие некачественной работы регулятора частоты вращения КВ, перестройки регулятора или просадки частоты из-за перегрузки дизеля. Одним из решений данной проблемы было использование в электронном блоке управления клапанами генератора импульсов с переменной частотой.

На встроенный в микроконтроллер канал АЦП подается аналоговый сигнал индуктивного датчика ВМТ, установленного на расп редел итель-ном вале. В этот момент микроконтроллер запускает прерывание, по которому включается таймер. По следующему сигналу ВМТ в память микроконтроллера заносится временной интервал, полученный таймером. По алгоритму, записанному в ОЗУ микроконтроллера, рассчитывается частота вращения коленчатого вала дизеля.

Второй таймер микроконтроллера программируется на частоту в 720 раз большую, чем частота вращения коленчатого вала дизеля, и генерирует прерывания, временной интервал которых соответствует одному градусу угла поворота коленчатого

Исходные данные для расчета по формулам (6) и (7) приведены в паспортных данных для электромагнитных клапанов фирмы «ВигкегЬ.

По результатам расчетов были выбраны двухходовые клапаны прямого действия фирмы «ВигкегЬ. Выбранный клапан был испытан на стенде сжатым воздухом. Во время испытаний клапан подсоединялся к воздушной системе двумя шлангами. Давление воздуха на входе клапана поддерживалось на уровне 1,5 кгс/м2.

Рис. 5. Электронный блок управления схемой подачи газа в цилиндры дизеля

вала дизеля. По этим прерываниям происходит генерация управляющих импульсов, которые через порты ввода-вывода подают сигналы на базы силовых транзисторов. Программа управления клапанами записывается в микроконтроллер через последовательный порт компьютера и сохраняется в энергонезависимой памяти.

Точность определения положения ВМТ определяет и точность управления клапанами. Для определения момента нахождения в верхней точке движения поршня цилиндра дизеля можно использовать индуктивный датчик или фотодатчик. Фотодатчик дает импульс с резким нарастанием фронта, что повышает точность определения ВМТ. Индуктивный датчик дает более плавный импульс (рис. 4), что понижает точность отсчета. Однако такие существенные недостатки фотодатчика, как ложные срабатывания от случайных световых вспышек и, наоборот, пропуски импульсов при попадании на фотодиод пыли или грязи, определили, в конечном счете, выбор в пользу индуктивного датчика.

Использование электромагнитных клапанов фирмы «ВигкегЬ позволяет отказаться от способа поддержания клапанов в открытом состоянии частотным сигналом, так как относительно небольшой ток клапана не приводит к разогреву катушки. Время задержки открытия клапана, обратно пропорциональное силе управляющего тока, может быть скомпенсиро-

вано программным путем, то есть установлением более раннего времени открытия.

Для управления клапанами был изготовлен электронный блок на базе однокристального микроконтроллера М16С/61 фирмы «Mitsubishi Electric». Внешний вид блока управления показан на рис. 5.

На верхней панели блока управления расположены шесть светоди-одов в соответствии с числом цилиндров газодизеля. Каждый светодиод включен параллельно электромагнитному клапану, что позволяет контролировать не только логическую, но и силовую часть схемы управления.

Блок управления питается от бортовой сети тепловоза через DC-DC преобразователь, установленный в самом блоке.

С учетом того, что двигатель маневрового тепловоза четырехтактный, для получения синхронизирующего сигнала отметки ВМТ используется не коленчатый, а распределительный вал дизеля, период оборота которого равен 720° поворота коленвала.

Во время наладочных испытаний блок управления электромагнитными клапанами был установлен в помещении для испытателей, и его включение производилось тумблером. Для автономной работы на тепловозе включение блока управления необходимо производить через тумблер включения газа с учетом всех блокировок схемы тепловоза.

Для установки электромагнитного клапана на дизель используется переходник, соединяющий клапан с впускной полостью крышки цилиндра. В опытном образце газотепловоза клапан соединяется с газовым коллектором шлангом.

На рис. 6 показан клапан фирмы «ВигкегЬ, установленный на газодизеле тепловоза ТЭМ2Г.

В процессе наладочных испытаний были записаны временные диаграммы основных характеристик, связанных с работой клапана. Нарастание и спад давления за клапаном происходили с запаздыванием. На рис. 7 приведена временная

Рис. 6. Электромагнитный клапан

фирмы «Burkert» на газодизеле тепловоза ТЭМ2Г

I«* diFAViHMJ

]» -Ш О ш ни ла л)

Рис. 7. Отставание нарастания и спада давления за электромагнитным клапаном от импульса управляющего напряжения

диаграмма открытия электромагнитного клапана второго цилиндра на 6-й позиции контроллера машиниста. На рис. 7 видно, что задержка открытия составила около 45° поворота коленчатого вала, а задержка закрытия - около 25°. Задержка нарастания давления газа за клапаном определяется задержкой открытия клапана и перепадом давления до и после клапана. Задержка спада давления газа за клапаном определяется, главным образом, временем закрытия клапана.

Увеличение давления в газовом коллекторе также приводило к запаздыванию открытия и закрытия клапана. На рис. 8 приведены графики этих зависимостей. При закрытии клапана зависимость имеет квазилинейный характер, обусловленный противодействием возвратной силы пружины клапана и давлением газа. При открытии характер зависимости имеет ярко выраженный нелинейный участок, на котором сила тока катушки клапана недостаточна для его быстрого открытия.

По экспериментальным данным построена зависимость отставания открытия и закрытия электромагнитного клапана от частоты вращения коленчатого вала дизеля (рис. 9). Такое запаздывание обусловлено тем, что при изменении частоты вращения коленчатого вала газодизеля меняется и время поворота коленвала, а задержка закрытия и открытия клапана по времени остаются неизменными. Полученные величины необходимы для корректировки углов открытия и закрытия электромагнитных клапанов при подаче газа в цилиндры газодизельного тепловоза.

Результаты испытаний показали основные преимущества электромагнитных клапанов:

возможность регулировки углов начала и конца подачи;

отсутствие обратного перетекания газа, характерного для механических клапанов;

«Транспорт на альтернативном топливе» № 1 январь 2008 г. Л ВШИ В^ СВШ ЧШИВй КФ

возможность использования обратной связи для регулирования параметров управления.

Полученные экспериментальные данные показали особенности применения электромагнитных клапанов, которые необходимо учитывать при разработках алгоритмов управления. Главной здесь является необходимость временной корректировки запаздывания открытия и закрытия клапана.

Электронная система управления электромагнитными клапанами прошла экспериментальную проверку и подтвердила свою работоспособность. В ходе проверки были проведены корректировки алго-

ритма работы и элементной базы управляющей системы. Применение микроконтроллера с энергонезависимой памятью позволяет изменять управляющую программу в процессе работы системы без остановки дизеля.

В результате проведенных наладочных испытаний была достигнута устойчивая работа клапанов фирмы «ВигкегЬ совместно с разработанной электронной системой управления. Окончательное заключение о применении указанных клапанов будет принято по результатам теплотехнических испытаний газодизеля ГДГ-50 при работе по газодизельному циклу.