СПОСОБ РАБОТЫ ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ
METHOD OF OPERATING INVARIABLE-OUTPUT TRACTOR DIESEL

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, а именно двигателестроениию, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с режимом постоянной мощности.
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, при котором двигатель имеет на корректорном участке характеристики постоянную мощность в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала и, соответственно, высокий запас крутящего момента - двигатели постоянной мощности (Тракторные моторно-трансмиссионные установки с двигателями постоянной мощности. С.И.Дорменев, А.П.Банник, И.А.Коваль, Ю.Б.Моргулис. - М.: Машиностроение, 1987). Такой режим достигается применением регулируемого или переразмеренного турбокомпрессора и специального корректора цикловой подачи топлива. Это позволяет повысить экономичность и производительность трактора за счет более полного использования мощности двигателя на энергоемких работах при больших колебаниях внешней нагрузки.
Наиболее близким решением, принятым за прототип, является способ работы тракторного дизеля с турбонаддувом (Патент №1802186 РФ, кл. F02B 37/12, 1993), при котором при малых значениях момента сопротивления осуществляют работу на регуляторной ветви характеристики с выключенным турбокомпрессором, а при увеличении момента сопротивления обеспечивают работу на корректорной ветви по характеристике постоянной мощности. При этом в зависимости от величины момента сопротивления осуществляют работу двигателя на первом или втором уровне мощности.
Недостатком известных технических решений является то, что в первом случае один, а во втором случае два уровня мощности двигателя задаются заранее исходя из назначения двигателя и наиболее часто встречающегося уровня внешней нагрузки. При этом преимущества известных способов работы двигателя постоянной мощности проявляются лишь в том случае, когда затраты мощности на работу машинно-тракторного агрегата равны мощности двигателя на корректорном участке характеристики первого или второго уровней мощности. Однако, учитывая огромное многообразие выполняемых тракторных работ и, следовательно, многообразие уровней внешней нагрузки, а также возможное изменение уровня внешней нагрузки в процессе работы, например, по мере высева семян и уменьшения массы агрегата, в большинстве случаев невозможно скомплектовать машинно-тракторный агрегат и выбрать рабочую передачу таким образом, чтобы обеспечить работу двигателя в режиме постоянной мощности на первом или втором уровне. В связи с этим большую часть времени двигатель работает на регуляторной ветви характеристики или попеременно на регуляторной и корректорной ветви.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности и топливной экономичности двигателя путем согласования режима его работы с уровнем внешней нагрузки.
Указанная задача в предлагаемом способе решается тем, что при работе двигателя измеряют момент сопротивления, сравнивают его с максимальным, а затем с минимальным значением для корректорного участка характеристики данного уровня мощности, и если измеренное значение момента сопротивления больше максимального или меньше минимального, то соответственно увеличивают или уменьшают уровень мощности двигателя.
На фигуре 1 представлена характеристика двигателя постоянной мощности, работающего по предлагаемому способу.
На фигуре 2 приведена принципиальная схема устройства для осуществления этого способа.
Способ осуществляют следующим образом.
min
min
max
max
min
min
min
ср min
1
ср1
2
1
Предварительной регулировкой топливной аппаратуры исходя из назначения двигателя, конструктивных особенностей двигателя и системы турбонаддува задаются нижний (линия BC) и верхний (BC) пределы режимов постоянной мощности, а также значения коэффициента запаса крутящего момента на каждом уровне мощности. Значения коэффициента запаса крутящего момента выбираются таким образом, чтобы обеспечить переход с минимального на максимальный уровень мощности при резком увеличении нагрузки и исключить снижение частоты вращения коленчатого вала ниже минимально допустимого значения. При работе двигателя на холостом ходу и малых нагрузках устанавливают нижний предел режима постоянной мощности, а турбокомпрессор выключают. При этом двигатель работает на регуляторной ветви характеристики. При увеличении момента сопротивления выше минимального значения крутящего момента для нижнего уровня режима постоянной мощности (точка B) турбокомпрессор включают в работу и регулируют давление наддува по заданному закону (чаще всего поддерживают давление наддува на постоянном уровне). При дальнейшем увеличении момента сопротивления осуществляют работу двигателя на корректорном участке характеристики, соответствующем нижнему пределу режима постоянной мощности (линия BC) при среднем значении крутящего момента Мк. В процессе работы измеряют величину момента сопротивления (например, по частоте вращения коленчатого вала), и если измеренное значение момента сопротивления превысит максимальное значение крутящего момента двигателя для данного уровня мощности (частота вращения коленчатого вала достигает минимального значения и продолжает снижаться), то осуществляют переход на следующий, более высокий, уровень мощности (точка C), которому соответствует среднее значение крутящего момента Мк. При этом уровень мощности увеличивают до тех пор, пока момент сопротивления внешней нагрузки не станет равным максимальному крутящему моменту для данного уровня мощности. При дальнейшем увеличении нагрузки на двигатель процесс повторяется. При снижении момента сопротивления осуществляют работу двигателя по корректорной ветви характеристики и сравнивают действительное значение момента сопротивления с минимальным значением крутящего момента для данного уровня мощности (точка B). Если действительное значение момента сопротивления станет меньше минимального значения крутящего момента для данного уровня мощности, то осуществляют переход на следующий, более низкий, уровень мощности (точка B). Переходный процесс завершается, когда значение момента сопротивления внешней нагрузки станет равным минимальному значению крутящего момента для выбранного уровня мощности. При дальнейшем снижении нагрузки процесс повторяют. Если же нагрузка начинает возрастать, то двигатель переходит на корректорную ветвь характеристики и работает как серийный двигатель постоянной мощности до достижения режима максимального крутящего момента на данном уровне мощности. Таким образом, автоматически устанавливают такой уровень мощности, при котором среднее значение момента сопротивления внешней нагрузки примерно равно среднему значению крутящего момента двигателя на корректорной ветви характеристики, а при значительных изменениях нагрузки, вызывающих переход с одного уровня мощности на другой, это равенство автоматически восстанавливается. Для уменьшения времени работы двигателя на переходных режимах и учитывая, что колебания внешней нагрузки в подавляющем большинстве случаев подчиняются закону нормального распределения, при разработке конструкции корректора топливоподачи выбирают такое значение коэффициента запаса крутящего момента, при котором диапазон изменения крутящего момента двигателя на корректорной ветви характеристики будет несколько больше, чем возможный диапазон изменения момента сопротивления. В этом случае двигатель самонастраивается на такой уровень номинальной мощности, при котором среднее значение момента сопротивления равно среднему значению крутящего момента двигателя, а колебания внешней нагрузки преодолеваются за счет изменения величины крутящего момента при работе двигателя на корректоре в режиме постоянной мощности. Иными словами, независимо от абсолютной величины внешней нагрузки двигатель подавляющую часть времени работает как серийный двигатель постоянной мощности при полной загрузке на данном уровне мощности. В результате этого в максимальной степени используются преимущества двигателя постоянной мощности с точки зрения экономичности и производительности при выполнении практически любых операций. Немаловажно и то, что для осуществления предлагаемого способа не требуется каких-либо существенных изменений в конструкции двигателя и при необходимости (например, на транспортных работах) путем отключения автоматического регулятора уровня мощности можно осуществлять его работу, как у серийного двигателя.
Устройство для осуществления предлагаемого способа работы двигателя включает в себя двигатель 1, турбокомпрессор 2, впускной коллектор (не показан), подключенный к турбокомпрессору 2 и объединяющий цилиндры двигателя 1, выпускной коллектор (не показан), подключенный к турбине турбокомпрессора 2 через газораспределительный орган 3, выполненный в виде отдельного конструктивного элемента или встроенный в турбину, исполнительный механизм 4 (выполненный, например, в виде гидро-, пневмоцилиндра, электромагнита), управляющий газораспределительным органом 3, датчики 5 нагрузки двигателя, 6 частоты вращения коленчатого вала двигателя, электронный блок 7 управления режимами работы двигателя 1 и турбокомпрессора 2, топливный насос 8 высокого давления с пневмокорректором 9 и исполнительным механизмом 10 для регулирования уровня номинальной мощности двигателя 1, выполненный, например, в виде электродвигателя, гидро-, пневмоцилиндра.
Устройство работает следующим образом.
При запуске двигателя 1 и работе на холостом ходу и малых нагрузках по сигналам с датчиков 5 нагрузки и 6 частоты вращения электронный блок 7 управления выдает на исполнительные механизмы 4 и 10 управляющие сигналы, которые соответственно выключают турбокомпрессор 2 путем перепуска части отработавших газов через газораспределительный орган 3 мимо турбины в атмосферу и устанавливают упор ограничителя подачи топлива топливного насоса 8 в крайнее положение, соответствующее нижнему пределу режима постоянной мощности, заданному предварительной регулировкой топливного насоса 8. Одновременно при работе двигателя 1 на регуляторе пневмокорректор 9 ограничивает подачу топлива в зависимости от давления наддува. При возрастании момента сопротивления внешней нагрузки выше минимального значения крутящего момента на нижнем пределе режима постоянной мощности по сигналам с датчиков 5 нагрузки и 6 частоты вращения коленчатого вала электронный блок 7 управления формирует управляющий сигнал на исполнительный механизм 4 газораспределительного органа 3, который включает турбокомпрессор 2. При дальнейшем увеличении момента сопротивления осуществляют работу двигателя 1 на корректорном участке по характеристике постоянной мощности. Если значение момента сопротивления внешней нагрузки, измеренное с помощью датчика 5, превысит значение максимального крутящего момента на нижнем пределе режима постоянной мощности, электронный блок 7 управления сформирует сигнал на исполнительный механизм 10 топливного насоса 8, который будет перемещать упор ограничителя подачи топлива в сторону увеличения уровня мощности до тех пор, пока значение максимального крутящего момента на одном из уровней не станет равным моменту сопротивления. При дальнейшем увеличении момента сопротивления процесс повторяется. В случае уменьшения момента сопротивления двигатель работает как серийный двигатель постоянной мощности на выбранном уровне. При снижении момента сопротивления ниже минимального значения крутящего момента на данном уровне мощности по сигналу с датчика 5 загрузки электронный блок 7 управления с помощью исполнительного механизма 10 будет перемещать упор ограничителя подачи топлива в сторону уменьшения уровня мощности до тех пор, пока значение момента сопротивления станет равным минимальному значению крутящего момента двигателя 1 на одном из уровней мощности. Далее процесс повторяется.
Таким образом, предлагаемый способ работы двигателя постоянной мощности позволяет повысить экономичность и производительность трактора путем согласования режимов работы двигателя с уровнем внешней нагрузки и повышения эффективности использования режима постоянной мощности.