СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ НАДДУВА ДИЗЕЛЯ

Решение относится к двигателестроению, к дизелям с турбонаддувом автотранспортного назначения, в частности заявляемая система регулирования наддува предназначена для управляемого воздухоснабжения тепловозного дизельгенератора.
Известен дизель с турбонаддувом, содержащий баллон со сжатым воздухом, сообщенный воздушной магистралью с впускным коллектором дизеля, мембранный клапан, установленный в воздушной магистрали, и регулирующее устройство, управляющее работой мембранного клапана (Крутов В.И. Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания. М. Машиностроение, 1989. - 416 с., с.178, рис.7.6) - аналог.
При увеличении нагрузки одновременно с увеличением цикловой подачи топлива открывается мембранный клапан для дополнительной подачи воздуха в цилиндры двигателя, причем время работы клапана тем больше, чем больше новая нагрузка.
Недостатком описанного устройства является необходимость оборудования двигателя баллоном сжатого воздуха, требующим периодической подкачки.
Наиболее близким по технической сути является система регулирования наддува дизеля содержащая турбокомпрессор, связанный с выхлопным и впускным коллекторами дизеля, электродвигатель и инвертор, состоящий из силового блока и системы управления, которая выполнена с возможностью управления силовым блоком инвертора и связана с компьютером управления дизелем (патент РФ №2193673, МПК7: F02B 37/12, опубл. 27.11.2002 г.) - прототип.
Недостатком описанного дизеля с турбонаддувом является невозмржность поддержания оптимального соотношения «воздух -топливо» во всем диапазоне рабочих параметров двигателя, в том числе и вследствие чрезмерно усложненной конструкции.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение эффективности и надежности работы системы регулирования наддува и поддержание оптимального соотношения «воздух - топливо» во всем диапазоне рабочих параметров двигателя.
Указанный технический результат достигается тем, что система регулирования наддува дизеля содержащая турбокомпрессор, связанный с выхлопным и впускным коллекторами дизеля, электродвигатель и инвертор, состоящий из силового контура и системы управления, которая выполнена с возможностью управления силовым контуром инвертора и связана с компьютером управления дизелем, дополнительно содержит выпрямитель, причем силовой контур инвертора подключен к тяговой цепи постоянного тока дизеля после выпрямителя и состоит из трех полумостов на модулях и LC фильтра, а инвертор выполнен в виде отдельного блока.
Система, в которой модули силового контура инвертора могут быть выполнены в виде IGBT модулей.
Сущность заявляемого решения поясняется на фиг.1 и фиг.2, где на фиг.1 показана структурная схема системы наддува, а на фиг.2 - схема силового контура инвертора.
Система регулирования наддува дизеля 1 состоит из турбокомпрессора 2, который впускным 3 и выхлопным 4 коллекторами связан с дизелем 1. Дизель 1 через тяговый генератор 5 связан с колесными парами 6 через выпрямитель 7, после которого к тяговой цепи постоянного тока подключен силовой контур 8 инвертора. Силовой контур инвертора 8 также связан с электродвигателем 9 и через него с турбокомпрессором 2, а система управления (процессорный блок) инвертора связан с компьютером управления дизелем (на фиг. не показан). Силовой контур инвертора 8 состоит из трех полумостов на модулях, причем тип модуля выбирается исходя из требуемой выходной мощности, например, это могут быть IGBT модули 10. Для подавления пульсаций и излучений в конструкцию вводят LC фильтр 11.
Для силового питания системы наддува дизеля на стенде от сети 380 В, 50 Гц может быть введен трехфазный мостовой диодный выпрямитель 12. Поскольку он является однонаправленным (передача энергии происходит от сети в инвертор), то для рассеивания энергии генераторного режима на стендовых испытаниях введен тормозной IGBT модуль 12 и внешний балластный резистор 13 (реостат). Для работы управляющей схемы инвертора замеряются токи фаз А и В, силовое напряжение питания в постоянном звене инвертора и величина потребляемого (генерируемого) тока, что является достаточным для целей управления электродвигателем 9.
-1
2
Как известно, использование наддува позволяет увеличить цилиндровую мощность дизеля (за счет появляющейся в этом случае возможности сжатия большего количества топлива) и повысить его экономичность. Однако, при этом возникает проблема согласования подачи воздуха с подачей топлива во всем поле режимов работы дизеля, так как давление наддува оказывается зависимым от расхода отработавших газов и их параметров, которые в свою очередь зависят от скоростного и нагрузочного режимов работы дизеля. В результате, например, при работе дизеля 6 ЧН 15/18 (Д6Н) по внешней характеристике и снижении частоты вращения с 1500 до 600 мин давление наддува снижается соответственно с 1,4 до 1,0 кг/см, а подача топлива при этом меняется незначительно. Это приводит к снижению коэффициента избытка воздуха, неполному сгоранию топлива, снижению эффективности работы и увеличению дымности отработавших газов.
2
Еще более остро стоит эта проблема при работе дизеля на неустановившихся режимах. Так, например, при работе дизеля Д6Н на режиме максимальной частоты вращения холостого хода с подачей топлива примерно равной 10% от полной подачи топлива и давлением наддува 1,0 кг/см и набросе нагрузки на дизель автоматический регулятор очень быстро (в течение 0,05…0,1 с) перемещает рейку топливного насоса в положение полной подачи топлива, а турбокомпрессор в силу своей инерционности не успевает также быстро разогнаться до частоты вращения, соответствующей номинальному режиму. В результате некоторое время дизель работает с полной подачи топлива и с давлением наддува примерно равным атмосферному. Это приводит к снижению коэффициента избытка воздуха, неполному сгоранию топлива, снижению экономичности, увеличению дымности отработавших газов и ухудшению динамических характеристик дизеля.
Проведенные исследования распределения режимов работы дизелей транспортного назначения показывают, что большую часть времени (до 90% и более) эти двигатели работают на неустановившихся режимах работы. Поэтому при применении турбонаддува на этих дизелях возникает необходимость регулирования воздухоснабжения дизеля при переходных процессах.
Заявляемая система позволяет избежать данных недостатков. Способ работы и пример конкретного выполнения заявляемой системы.
Система регулирования наддува тепловозного дизельгенератора 21-26ДГ (с дизелем 12 ЧН 26/26) полной мощностью 2500 кВт при частоте вращения коленчатого вала 1000 об/мин.
При работе системы регулируемого наддува, управляющие команды от компьютерной системы управления дизелем (или тепловозом) поступают по последовательному каналу RS-485 на систему управления (процессорный блок) инвертора, который анализирует текущую загруженность электродвигателя, его обороты и отрабатывает через силовой контур выход на заданные обороты по оптимальному закону.
Управление силовым контуром инвертора производится процессорным блоком инвертора. К тяговой цепи постоянного тока дизеля (после выпрямителя) подключается силовой контур инвертора, к этому же контуру инвертора подключается электродвигатель СШ 24/50-114. Звено постоянного тока тяговой цепи тепловоза обладает большой мощностью и выступает как источник энергии для моторного режима системы и как приемник энергии для генераторного режима. Инвертор адаптирован для двунаправленной работы, обеспечивает прием и передачу энергии на ротор электродвигателя и обратно.
При передаче энергии на ротор электродвигателя нагрузкой инвертора является электродвигатель, источником питания - звено постоянного тока тяговой цепи тепловоза.
При отборе энергии от ротора электродвигателя нагрузкой инвертора является звено постоянного тока тяговой цепи тепловоза, а источником питания - электродвигатель.
Таким образом, электродвигатель (мотор-генератор) восполняет недостаточную мощность привода компрессора (при недостаточном давлении наддува) и выводит избыточную энергию турбины (генераторный режим) для поддержания оптимального соотношения "воздух / топливо".
Особенностями инвертора являются:
- моторный и генераторный режимы работы электрического двигателя системы регулирования наддува во всем диапазоне оборотов и мощностей;
- возможность работы от нестабильного источника питания, каким является постоянное звено основного тягового генератора тепловоза с диапазоном доступного напряжения от 20 до 850 В;
- ручное управление электродвигателем (мотор-генератором) при стендовых испытаниях системы на дизеле;
- возможность питания инвертора от сети 3 фазы - 380 В, 50 Гц на самостоятельных стендовых испытаниях системы;
- возможность управления по линии RS-485 на перспективном тепловозе от его микропроцессорный схемы управления дизелем или тепловозом;
- свободные ресурсы для подключения к системам управления традиционных тепловозов;
- соответствие требованиям к электрооборудования, устанавливаемому в тепловозе.
2
Процессорный блок инвертора представляет собой специализированный моторный DSP микрокомпьютер ADMS-331 фирмы Anagol Devices. Он относится к DSP классу (цифровая обработка сигналов, характеризуется предельно высокой производительностью, специализирован на решении динамических уравнений в реальном масштабе времени). Последовательный порт SPORTO ADMS-331 через соответствующие буферные интерфейсы соединен с пультом управления инвертора.. Два аналоговых входа ADMS-331 используются под эти два тока. Данный процессорный блок формирует широтно-импульсные модулированные сигналы (ШИМ), которые через оптронную развязку поступают в драйверы ЮВТ-модулей. Для работы инвертора измеряются напряжения в силовом постоянном звене системы и ток, которые преобразуются в частоту форму LM 331 и через оптронную развязку передаются в ЕРМ7128 STC100 фирмы Altera. Данные измерения считываются ADMS-331. Дополнительно, данный блок программируемой логики содержит дополнительный канал ШИМ (тормозной - генератор ЮВТ-модуль), контроллер 1С шины и схему жесткой защиты инвертора. Связь процессорного блока и компьютера управления дизелем осуществляется по RS 485 выполняется UART National Semiconductors PC 16С550 с оптронной развязкой и далее интерфейсом МАХ 485. Для целей дискретного управления вспомогательного электроникой используется опто-реле на PVT412L (начальный заряд блока силовых конденсаторов).
Инвертор системы выполнен отдельным блоком, может быть установлен в любом месте тепловоза и надежно закреплен, при обеспечении в эксплуатации следующих условий:
- температура окружающей среды должна находиться в следующих пределах:
- верхнее значение, не выше - 343 К (+70 С);
- нижнее значение, не ниже - 233 К (-40°С);
- влажность окружающей среды - не более 98% при температуре 308 К (+35°С);
механические воздействия не должны превышать требований ГОСТ 17516-72.