УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ

Полезная модель относится к двигателестроению и может быть использована судовыми дизельными энергетическими установками речного и морского транспорта, работающими преимущественно на переменных нагрузках, например буксиры, паромы, рейдовые суда и т.п.
Известен патент №2184251 Российская Федерация, МКИ: F02B 29/04. Устройство для регулирования температуры наддувочного воздуха ДВС / В.Н. Тимофеев, И.П. Данилов, М.С. Алатырев, Д.В. Тимофеев; опубл. 27.06.2002, Бюл. №18 [1].
В данном патенте используется турбокомпрессор, распределитель воздуха, электрический ИМ, электронный БУ. В зависимости от нагрузки дизеля распределитель воздуха направляет наддувочный воздух в дизель, при этом воздух проходит один из предусмотренных каналов:
- первый канал при температуре наддувочного воздуха на долевых нагрузках и холостом ходу, например Т≤60°С распределитель воздуха направляет наддувочный воздух через «горячий» теплообменник;
- второй канал при номинальной температуре наддувочный воздух подается, минуя теплообменников;
- третий канал при изменении нагрузки дизеля и температуры выше номинальной распределитель воздуха направляет воздух через «холодный» теплообменник.
Основными недостатками данного патента является то, что устройство не контролирует количество подаваемого воздуха на переменных нагрузках, поэтому это скажется на эффективности работы дизеля.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является патент №75744. Россия, G01M 15/00. Устройство для регулирования коэффициента избытка воздуха в ДВС / В.Н. Тимофеев, Д.В. Тимофеев. Опубл. 20.08.2008 в БИ №23 [2].
Основными элементами предлагаемого устройства являются датчик расхода воздуха, датчик нагрузки, микро ЭВМ, электрический исполнительный механизм и воздушная заслонка.
Электрический исполнительный механизм постоянной скорости соединен механически с заслонкой и может находиться только в трех установившихся состояниях: вращение выходного вала с постоянной скоростью, неподвижность, вращение выходного вала в обратную сторону с постоянной скоростью. Датчик нагрузки установлен на дизеле, формирует сигнал нагрузки. Датчик расхода воздуха установлен на впускном трубопроводе и определяет расход воздуха через дизель. При работе дизеля датчик нагрузки формирует аналоговый сигнал, а датчик расхода воздуха в аналоговой форме.
Для передачи этих сигналов они должны соответствующим образом преобразовываться. С этой целью в структуру устройства включаются аналого-цифровые преобразователи, преобразующие аналоговые сигналы в дискретные.
В задатчике программы закладывается требуемый расход воздуха на переменных нагрузках дизеля.
После запуска дизельного двигателя непрерывный аналоговый сигнал от датчика расхода воздуха преобразовывается и передается в микроЭВМ.
Одновременно непрерывный аналоговый сигнал от датчика нагрузки преобразовывается и подается в микроЭВМ. МикроЭВМ со своим программным обеспечением реализует функции управления с помощью компенсирующего, регулирующего узлов и узла сравнения. Происходит требуемая подача наддувочного воздуха в дизель. При этом обеспечивается поддержание теплового состояния деталей на заданном квазиоптимальном уровне благодаря правильной организации рабочего процесса.
Основным недостатком данного устройства является то, что в устройстве не предусмотрен турбонаддув. В современных судовых дизелях используют дизели с наддувом, поэтому в устройстве трудно контролируется количество свежего заряда воздуха на переменных нагрузках.
Заявляемая полезная модель решает задачу создания устройства, позволяющего подачу требуемого количества воздуха в цилиндры дизеля на переменных нагрузках судового дизеля.
Техническим результатом, достигаемым при этом, является обеспечение требуемым количеством свежего заряда наддувочного воздуха на всех нагрузках работы судового дизеля.
Технический результат достигается тем, что известное устройство воздухоснабжения судового дизеля, содержащее выхлопной коллектор, газовую турбину, турбокомпрессор, основной канал отработавших газов, канал свежего заряда наддувочного воздуха, заслонку с электрическим приводом постоянной скорости, электрический распределитель воздуха, горячий и холодный теплообменники, элементы автоматики, содержит дополнительный канал отработавших газов, вход которого связан с основным каналом отработавших газов, выход подключен к выхлопному коллектору через заслонку с возможностью перепуска отработавших газов от нагрузки в атмосферу.
На фиг. 1 представлено устройство для воздухоснабжения судового дизеля и содержит главный судовой дизель 1, выхлопной коллектор 2, канал свежего заряда наддувочного воздуха 3, основной канал отработавших газов 4, дополнительный канал отработавших газов 5, газовую турбину 6, турбокомпрессор 7, вал 8, заслонку 9, исполнительный механизм постоянной скорости 10, редуктор 11, электродвигатель 12, механическую связь 13, электрический распределитель воздуха 14, «горячий» теплообменник 15, «холодный» теплообменник 16, датчик нагрузки 17, датчик давления воздуха 18, датчик температуры 19, блок сравнения 20, 23; задатчики 21, 24; блок управления 22; каналы подачи свежего заряда воздуха 25, 26, 27, 28; каналы подачи электроэнергии 29, 30; каналы подачи электрических сигналов 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38.
Дополнительный канал отработавших газов 5 выполняется как выхлопной трубопровод, вход которого присоединяется к основному каналу отработавших газов 4, а выход дополнительного канала 5 присоединяется к выхлопному коллектору 2. На выходе дополнительного канала 5 устанавливается заслонка 9, которая с помощью механической связи 13 присоединяется к редуктору 11 электрического исполнительного механизма 10, а редуктор 11 - к электродвигателю 12. Для привода электрического исполнительного механизма 10 может быть использован электродвигатель с постоянной частотой вращения (МЭО), который для открытия (закрытия) заслонки 9 будет работать в релейно-импульсном режиме по патенту [3]. (Патент №2031216 Россия, МКИ F01P 7/14. Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости ДВС с турбокомпрессором, имеющим газовыхлопной патрубок / В.Н. Тимофеев, Е.А. Киселев, Е.В. Кротов и др. (Россия). Опубл. в БИ 20.03.95).
С возрастанием нагрузки дизеля 1 происходит автоматическое увеличение количества подаваемого в рабочий цилиндр дизеля 1 воздуха и его давления.
Судовой дизель 1 в условиях эксплуатации должен развивать высокий крутящий момент уже при низкой частоте вращения коленчатого вала, поэтому турбокомпрессор 7 конструируется из расчета небольшой скорости потока отработавших газов. Для того чтобы при больших скоростях потока отработавших газов турбокомпрессор 7 не перегружал дизель 1, давление наддува, которое контролируется датчиком давления воздуха 18, будет регулироваться.
Предложенное устройство для воздухоснабжения работает следующим образом.
В зависимости от требований к системе воздухоснабжения судового дизеля задатчик 21 устанавливается на заданные режимы и связан с блоком сравнения 20.
После запуска дизель 1 начинает работать на частичных нагрузках, при этом давление наддувочного воздуха в канале свежего заряда наддувочного воздуха 3 установится ниже допустимого значения, об этом фиксируется датчиком давления воздуха 18 и этот сигнал подается по каналу 31 в блок сравнения 20. Одновременно сигнал от датчика нагрузки 17 по каналу 32 подается на задатчик 21, где формируется сигнал в соответствии с заданным законом и поступает по каналу 35 в блок сравнения 20. Сопоставляя сигналы, поступающие от датчика давления 18 и задатчика 21, происходит вычисление регулирующего сигнала, который поступает в блок управления 22. Блок управления 22 по каналу 30 подает электроэнергию на электродвигатель 12 исполнительного механизма 10, который приводится в действие и заслонка 9 закроет дополнительный канал отработавших газов 5, в результате чего весь поток отработавших газов судового дизеля будет проходить по основному каналу отработавших газов 4, что приводит к увеличению производительности газовой турбины 6 и увеличению подачи турбокомпрессором 7 свежего заряда наддувочного воздуха по каналу 4 в дизель 1. Таким образом, в дизель 1 на частичных нагрузках, т.е. во время его подогрева в цилиндры дизеля 1 будет поступать требуемое количество наддувочного воздуха.
При повышении нагрузки дизеля 1 увеличивается производительность работы газовой турбины 6 и турбокомпрессора 7 и соответственно начинается подача лишнего свежего заряда воздуха по каналу 3 в дизель 1, об этом фиксируется датчиком давления воздуха 18, этот сигнал по каналу 31 подается в блок сравнения 20, а сигнал от датчика нагрузки 17 подается в задатчик 21, где формируется сигнал в соответствии с заданным законом и поступает в блок сравнения 20. В блоке сравнения 20 формируется сигнал рассогласования и по каналу 36 подается в блок управления 22, который подачей электроэнергии по каналу 30 на электродвигатель 12 приводит в действие исполнительный механизм 10 и происходит поворот заслонки на требуемый угол в релейно-импульсном режиме. При этом начинается проход отработавших газов через дополнительный канал 5, уменьшается проход отработавших газов через основной канал отработавших газов 4, уменьшается производительность газовой турбины 6 и давление в турбокомпрессоре 7.
При работе дизеля 1 на номинальных нагрузках плавным открытием и закрытием заслонки 9 поддерживается требуемое давление наддувочного воздуха и его подача в дизель 1.
Одновременно в предлагаемом устройстве воздухоснабжения решается задача регулирования температуры свежего заряда наддувочного воздуха следующим образом.
В зависимости от требований к тепловому режиму дизеля задатчик 24 устанавливается на заданные температурные режимы и связан с блоком сравнения 23.
Сигнал от датчика температуры 19 подается в блок сравнения 23. Одновременно сигнал от датчика нагрузки 17 подается на задатчик 24, где формируется сигнал в соответствии с заданным законом и поступает на блок сравнения 23. Сопоставляя сигналы, поступающие от датчика температуры 19 и задатчика 24 в блоке сравнения 23, происходит вычисление регулирующего сигнала, который поступает в блок управления 22. При этом блок управления 22 подачей электроэнергии по каналу 29 приводит в действие распределитель воздуха 14, который в зависимости от нагрузки направляет наддувочный воздух:
ет
ен
1. При Р≥0,4Р по каналу 27 на холодный теплообменник 16.
ет
ен
2. При Р≤0,4Р по каналу 26 минуя теплообменники.
ет
ен
3. При Р≤25Р по каналу 25 через «горячий» теплообменник 15.
Таким образом, предлагаемое устройство для воздухоснабжения судового дизеля позволяет регулировать количество и температурный режим воздушного заряда воздуха на всех режимах его работы, что приводит к повышению технико-экономических показателей судового дизеля [4].
Источники информации.
1. Патент №2184251 Российская Федерация, МКИ: F02B 29/04. Устройство для регулирования температуры наддувочного воздуха ДВС / В.Н. Тимофеев, И.П. Данилов, М.С. Алатырев, Д.В. Тимофеев; опубл. 27.06.2002, Бюл. №18.
2. Патент №75744. Россия, G01M 15/00. Устройство для регулирования коэффициента избытка воздуха в ДВС / В.Н. Тимофеев, Д.В. Тимофеев. Опубл. 20.08.2008 в БИ №23.
3. Патент №2031216 Россия, МКИ F01P 7/14. Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости ДВС с турбокомпрессором, меющим газовыхлопной патрубок / В.Н. Тимофеев, Е.А. Киселев, Е.В. Кротов и др. (Россия). Опубл. в БИ 20.03.95.
4. Тимофеев В. Н. Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС: дис. … докт.техн. наук / В Тимофеев. - СПб, 2015, 2015, - 385 с.