СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ
METHOD TO CONTROL ENGINE RPM

Назначение изобретения
Изобретение относится к области двигателестроения и технологии переработки углеводородного сырья.
Оно может применяться в случае, когда исключено управление частотой вращения двигателя за счет изменения его крутящего момента путем изменения подачи горючей смеси (топлива). Например, при использовании двигателя внутреннего сгорания в качестве реактора для получения синтез-газа.
Предпосылки изобретения и предшествующий уровень техники
Известен способ регулирования газожидкостного двигателя внутреннего сгорания «Зульцер» (Васильев Ю.Н., Золотаревский Л.С., Ксенофонтов С.И. Газовые и дизельные двигатели. М.: ВНИИГазпром, 1992, с.75-77) путем изменения подачи жидкого и газообразного топлива, причем частоту вращения регулируют изменением подачи газа, желаемую запальную дозу топлива изменяют при помощи регулирующего устройства положения упора запального топлива при падении давления газа или недостатке мощности вследствие изменения химического состава газа.
Указанный способ позволяет осуществить запуск двигателя только на жидком топливе и в случае недостатка мощности или уменьшения давления газа полностью перейти на работу на жидком топливе, а также работать на газе с содержанием азота до 40%.
Однако данный способ применяется преимущественно в судовых условиях работы. В случаях работы двигателя в условиях, связанных с большим количеством переходных процессов и высокими требованиями к качеству регулирования частоты вращения, например в составе электростанции, регулирование частоты вращения изменением подачи газа приводит к возможной детонационной работе во время переходного процесса, провалам или забросам частоты вращения из-за нелинейности и высокой инерционности систем газовоздухоснабжения с выходом из допустимых границ коэффициента избытка воздуха.
Известен способ регулирования мощности двигателя внутреннего сгорания, работающего на газообразном топливе заключающийся в том, что регулирование мощности двигателя осуществляется изменением подачи газа в зонах больших и малых нагрузок, в области средних нагрузок изменение мощности осуществляют изменением количества газовоздушной смеси, при этом в зоне больших и средних нагрузок доза запального топлива постоянна, а при малых нагрузках дозу запального топлива увеличивают с помощью подвижного упора-ограничителя, который выполнен в виде поворотного рычага, имеющего привод от электродвигателя постоянного тока (SU 1784737, 30.12.1992).
Этот способ позволяет оптимизировать состав топливовоздушной смеси для широкого диапазона режимов работы автомобильного двигателя, как правило безнаддувного, и, соответственно, улучшить топливную экономичность и уменьшить токсичность отработанных газов. Однако при работе двигателя с наддувом в условиях, связанных с высокими требованиями к качеству регулирования, например в составе электростанции, указанный способ приводит к недопустимой жесткости и даже к детонационной работе двигателя, к недопустимым забросам и повалам частоты вращения из-за нелинейности и инерционности в работе системы газовоздухоснабжения из-за недопустимых значений коэффициента избытка воздуха.
Высокая сложность управляющих систем для реализации способов приводит к высокой стоимости конвертации дизельного двигателя в газожидкостный, а также к уменьшению надежности работы двигателя в целом и ухудшению ремонтопригодности.
Известен способ регулирования газожидкостного двигателя внутреннего сгорания (патент RU 2076225 С1), когда частоту вращения регулируют изменением подачи запального топлива, при этом желаемую запальную дозу топлива фиксируют изменением подачи газообразного топлива исходя из отсутствия рассогласования между фактической запальной дозой топлива и желаемой. Кроме того, регулирование изменения подачи газообразного топлива обеспечивают не менее чем в два раза медленнее, чем при положительном рассогласовании и с максимально достижимым быстродействием при отрицательном рассогласовании между фактической дозой запального топлива и желаемой. При этом рассогласование считается положительным при превышении фактической дозы запального топлива над желаемой, а отрицательным при фактической дозе запального топлива меньше, чем желаемая. Высокое качество регулирования работы газожидкостного двигателя внутреннего сгорания, улучшение приемистости достигается тем, что при работе двигателя поддержание заданной частоты вращения обеспечивается быстрым изменением подачи запального топлива как более приспособленного к сгоранию в двигателях внутреннего сгорания и удовлетворительно сгорающего в гораздо большем диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха, чем газообразное топливо, причем процесс сгорания жидкого топлива не сопровождается детонацией. При этом величина подачи запального топлива в период переходного процесса установится в соответствии с балансом мощности, требуемой потребителем, и мощности двигателя, получаемой за счет сгорания вводимого жидкого и газообразного топлива. Добавка в цилиндры двигателя газа нарушает этот баланс, обороты двигателя увеличиваются, и контур регулирования частоты вращения уменьшит подачу жидкого топлива до восстановления нарушенного баланса. Увеличение подачи газа в случае положительного рассогласования между фактической дозой запального топлива и желаемой производят до тех пор, пока рассогласование не станет нулевым. Регулирование изменения подачи газа с быстродействием не менее чем в 2 раза медленнее, чем регулирование запального топлива, при положительном рассогласовании позволяет избежать неустойчивой работы контура регулирования частоты. В случае отрицательного рассогласования между фактической подачей запального топлива и желаемой во избежание неустойчивой работы двигателя из-за малости подачи запального топлива газа подачу газа уменьшают с максимально достигаемым быстродействием.
При падении давления газа или из-за изменения состава газа, приводящего к изменению его теплотворной способности, при полностью открытом органе подачи газа величина подачи запального топлива установится в соответствии с балансом мощности и подводимой с газом и запальным топливом энергии. Качество регулирования двигателя и отдаваемая полезная мощность при этом не изменяются.
Указанный способ отличается принципиальным недостатком: при увеличении нагрузки на двигатель снижаются его обороты, что вызывает рост дозы запального топлива.
В то же время имеет место положительное рассогласование запальной дозы, что приводит к увеличению количества газа, подаваемого в цилиндры. При имеющей место инерционности системы воздухоснабжения (особенно при наличии в ее составе турбокомпрессора) в зависимости от степени переобогащения смеси в цилиндрах при увеличении подачи газа может наступить момент, когда количество воздуха будет ниже требуемого. В отдельных случаях мощность и обороты двигателя даже могут снизиться.
Переобогащению смеси способствует перерегулирование двигателя, когда величина запальной дозы топлив впрыскивается не только для реализации требуемой мощности, но и для восстановления оборотов (на кинетическую энергию).
Для исключения вредного переобогащения смеси ведется контроль его состояния, и в случае его наличия временно или окончательно прекращают подачу газа даже в случае положительного рассогласования запальной дозы.
Из US 2004129236, 08.07.2004, известен способ регулирования газожидкостного двигателя, когда изменение частоты вращения регулируют изменением подачи запального топлива, при этом подачу газа изменяют в диапазоне, обеспечивающем, с одной стороны, достижение желаемой запальной дозы топлива, с другой стороны, отсутствие переобогащения смеси в цилиндрах. В этом изобретении ставится задача обеспечения отсутствия резких провалов частоты вращения газожидкостного двигателя при набросах нагрузки.
Все эти указанные известные способы, как и способ по патенту ЕА 005343 В1, 24.02.2005, касаются способов управления частотой вращения вала двигателя, например, внутреннего сгорания, когда разница в крутящем моменте двигателя и тормозном моменте нагрузки, приводящая к изменению частоты вращения вала, компенсируется величиной подачи топлива жидкого или газообразного. Указанные способы не применимы в случае, когда по тем или иным причинам нельзя менять количество или состав смеси топлива (жидкого или газообразного) с воздухом, т.е. применять качественное регулирование. В этом случае количественное регулирование можно применять, если допустимо изменение количества потребляемого двигателем воздуха и выделяемых им продуктов сгорания топлива. В отдельных случаях количественное регулирование горючей смеси топлива может приводить к нарушениям работы агрегатов, подающих сжатый воздух в двигатель для процесса сгорания (помпаж, вращающийся срыв и т.д.). Особенно это относится к случаям, когда продукты сгорания топливовоздушной смеси используются в химических процессах по переработке углеводородного сырья. Например, при использовании двигателя внутреннего сгорания в качестве реактора синтез-газа.
mах
ном
mах
ном
Из RU 2075640, 20.03.1997, известен способ управления энергетической установкой, включающий выработку электроэнергии установкой при работе генератора на сеть, аэродинамическое ограничение мощности, развиваемое ветроколесом, и остановку ветроколеса, в котором в режиме работы генератора на сеть при неисправности системы поворота лопастей к вращающимся элементам установки прикладывают тормозной момент, по величине соответствующий номинальному моменту в трансмиссии, затем выводят генератор из сети и создают дополнительное торможение, переводя генератор в режим дополнительного гистерезисного тормоза, задавая при гистерезисном торможении момент по величине, не превосходящей номинального момента в трансмиссии, а время t приложения дополнительного тормозного момента, с одной стороны, выбирают из соотношения t>(2-5)Т, где Т - период низшей частоты колебаний лопасти ветроколеса, а с другой, по наступлению условия ш=2 ш, где ш - максимально допустимая скорость ветроколеса, ш - номинальная скорость ветроколеса. Однако данный способ касается только управления ветроэнергетической установкой.
Из европейского патентного документа ЕР-А-155748, 25.09.1995, известен способ регулирования скорости холостого хода двигателя внутреннего сгорания, приводящего генератор электрического тока, с обратной связью. При регулировании скорости холостого хода двигателя внутреннего сгорания с обратной связью в соответствии с этим документом на начальном этапе работы загрузочного устройства из-за большой электрической нагрузки двигатель может заглохнуть. Этот способ не применяется для регулирования двигателя на повышенных режимах (выше холостого хода), поскольку в этом случае изменения электрической загрузки точно отслеживаются, поэтому необходимость регулирования холостого хода с обратной связью отпадает. Для решения проблемы запуска большой электрической нагрузки в режиме холостого хода двигателя внутреннего сгорания в соответствии с упомянутой европейской заявкой измеряется значение сигнала режима генерирования тока, измеряется сигнал действительной частоты вращения двигателя, согласно измеренному значению сигнала режима генерирования тока и действительной частоты вращения двигателя задается значение коррекции электрической нагрузки и корректируется расход топлива холостого хода в соответствии с заданным значением коррекции электрической нагрузки.
В японском патентном документе JP-A-1203636 также рассматривается решение задачи регулирования холостого хода двигателя при изменении нагрузки на генератор.
Из RU 2142567, 10.12.1999, известна автоматическая система и способ регулирования частоты вращения двигателя, например, имеющего по крайней мере один вид загрузки (410), путем выработки сигнала (485) настройки режима двигателя, несущего информацию о расходе топлива, потребном для работы двигателя с заданной частотой вращения, и дозирования топлива в двигатель в соответствии с сигналом настройки режима, при этом он содержит этапы выработки сигналов (449, 472) управления загрузкой, регулирующих приложение видов загрузки к двигателю выработки упреждающих сигналов (467, 474) настройки режима, несущих информацию об упреждающей коррекции расхода топлива, необходимой для сохранения заданной частоты вращения двигателя в ответ на поступившие сигналы управления загрузкой, выработки сигнала (485) настройки режима с упреждающим компонентом, соответствующего упреждающим сигналам настройки режима. Это изобретение позволяет системе автоматического регулирования частоты вращения двигателя для двигателя, работающего в широком диапазоне рабочих скоростей, свести к минимуму время реакции двигателя на изменения заданной частоты вращения двигателя и заданной загрузки двигателя, однако также основано на принципе регулирования работы в зависимости от состава и расхода топлива.
Известен способ регулирования скорости электродвигателя путем перераспределения скоростей между вращающимися ротором и статором, отличающийся тем, что перераспределение скоростей осуществляется за счет создания тормозящего момента на одной из вращающихся частей двигателя (RU, заявка 97108210, 20.05.1999). Указанный способ основывается на известном принципе Даламбера, однако способ не применим для поршневого двигатель-генератора, где перераспределение вырабатываемого двигателем момента внутри него не представляется возможным.
Технической задачей заявленного изобретения является создание способа управления двигателем, когда по тем или иным причинам нельзя менять состав смеси топлива с воздухом, т.е. осуществлять регулирование качества или количества смеси.
Краткое описание сущности изобретения
Технической задачей заявленного изобретения является обеспечение качественного регулирования двигателя путем управления частотой вращения двигателя независимо от состава (изменяющегося) топлива, его подачи (количества), расхода топлива, расширение его технологических возможностей, например, в случае использования двигателя внутреннего сгорания в качестве реактора при производстве синтез-газа.
Сущность способа по изобретению заключается в том, что регулирование частоты вращения вала двигателя ведется за счет изменения величины тормозного момента на его валу. Для этого тормозной момент (момент нагрузки) делится на две неравные части: основная, полезная нагрузка, величина которой зависит от потребителя, и изменяемая, так называемая выделенная или балластная нагрузка, величина которой регулируется для компенсации избыточного или недостающего тормозного момента двигателя. В качестве балластной нагрузки могут применяться: обратимые электродвигатели, включенные в сеть, различной мощности, электрические котлы и другие нагревательные устройства переменной мощности, потребители ЖКХ при наличии основного источника электроэнергии, различные гидравлические перекачивающие и подающие устройства и системы и т.д.
Ниже рассматриваются два варианта осуществления предлагаемого способа для случая преобразования механической энергии, получаемой от сгорания углеводородного топлива, в электрическую.
Первый вариант показан на фиг.1. Система управления, с помощью которой реализуется предлагаемый способ, состоит из блока формирования задания балластной нагрузки 1, регулятора 2 балластной нагрузки 3, подключенной вместе с полезной нагрузкой 4 через коммутирующее устройство к электрическому генератору, который соединен с выходным валом двигателя 8. Контролируя частоту вращения (Пд) вала двигателя, напряжение (Ur), ток (Iг) генератора и ток балластной нагрузки (Iбн), блок формирования задания балластной нагрузки 1 формирует задание для регулятора 2 балластной нагрузки 3, обеспечивая тем самым регулирование величины выделенного тормозного момента, т.е. осуществляется компенсация избыточного или недостающего тормозного момента за счет выделенной доли тормозного момента. Второй вариант показан на фиг.2, когда в виде балластной нагрузки используется обратимый двигатель 7, включенный через регулируемый преобразователь 9 в сеть.
Подробное описание сущности изобретения
Ниже рассматриваются два варианта применения предлагаемого способа для случая преобразования механической энергии, получаемой от сгорания углеводородного топлива, в электрическую.
Первый вариант показан на фиг.1. Система управления, с помощью которой реализуется предлагаемый способ, состоит из блока формирования задания балластной нагрузки 1, регулятора 2 балластной нагрузки 3, подключенной вместе с полезной нагрузкой 4 через коммутирующее устройство к электрическому генератору, который соединен с выходным валом двигателя 8.
Порядок реализации способа управления частотой вращения двигателя, например двигателя внутреннего сгорания, следующий.
Для случая постоянного состава и количества подаваемого в двигатель топлива двигатель развивает определенный крутящий момент (Мд) при определенной частоте вращения (Пд). Момент Мд прикладывается к валу генератора 6, который своими выводами через коммутирующее устройство 5 подключен к полезной нагрузке 4 и через регулятор 2 к балластной нагрузке 3. В результате действия нагрузок на валу генератора 6 возникает электромагнитный тормозной момент Мэм. Причем:
Мэм=Мэм4+Мэм3,
где Мэм4 - электромагнитный момент от полезной нагрузки 4;
Мэм3 - электромагнитный момент от балластной нагрузки 3.
Для установившегося режима:
Мд=Мэм=Мэм4+Мэм3
При этом устанавливается определенная частота вращения Пд.
В случае изменения полезной нагрузки равенство моментов нарушается и возникает избыточный Мд+ или недостающий Мд- тормозной момент. В результате частота вращения двигателя изменяется. По отклонению частоты вращения, анализу Ur, Iг и Iбн блок формирования задания балластной нагрузки 1 формирует задание регулятору 2 для изменения величины тока балластной нагрузки Iбн. Это изменение происходит до момента возврата к исходной частоте вращения Пд. Таким образом восстанавливается равенство моментов Мд и Мэм, но при других значениях Мэм4 и Мэм3 частота вращения двигателя поддерживается на заданном уровне.
Второй вариант показан на фиг.2, когда в виде балластной нагрузки используется обратимый двигатель 7, включенный через регулируемый преобразователь 9 в сеть. В этом случае выделенный тормозной момент компенсируется электромагнитным моментом электродвигателя 7, работающего в режиме генератора и подключенного к сети.
Промышленная применимость
Как следует из вышеприведенного описания, благодаря описанному способу становится возможным осуществить управление частотой вращения (вала) двигателя за счет изменения величины тормозного момента на его валу. Данный способ может быть эффективно реализован при преобразовании энергии окисления углеводородного и другого вида топлива в механическую или электрическую работу и, в частности, при работе двигателя внутреннего сгорания в качестве реактора синтез-газа.