ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к дизель-генераторным установкам, используемым для выработки электроэнергии и способным обеспечить питание автономных объектов электроснабжения.
При изменении нагрузки электропотребления, изменяется режим работы дизель-генераторной установки, согласно которому топливо подается в камеру сгорания дизельного двигателя пропорционально нагрузке. Для получения на выходе установки параметров электроэнергии, регламентированных ГОСТ 13109-97, с наименьшими топливными затратами при изменении мощности электропотребления, используется преобразователь частоты и вращение вала дизельного двигателя осуществляется с переменной скоростью.
Известна дизель-генераторная установка, содержащая дизельный двигатель и синхронный генератор (см. Штерн В.И. Эксплуатация дизельных электростанций. - М.: Энергия, 1980. - С.4). При изменении нагрузки потребляемой электроэнергии изменяется частота вращения дизельного двигателя. Для поддержания регламентированных параметров электроэнергии регулирование частоты вращения дизельного двигателя осуществляют изменением количества подаваемого топлива.
Недостатком известной установки является повышенный расход топлива при малых нагрузках электропотребления. Кроме того, при изменениях электрической нагрузки происходит изменение напряжения генератора, которое не может быть быстро восстановлено, в соответствии с параметрами регламентированными ГОСТ 13109-97.
Известна дизель-генераторная установка (см. патент РФ на изобретение №2151461, опубликованный 26.04.2007 г.), содержащая приводной двигатель внутреннего сгорания, асинхронный генератор с конденсаторным возбуждением, устройство принудительного возбуждения и устройство стабилизации напряжения.
Недостатком является увеличенный расход топлива при изменении нагрузки электропотребления, что приводит к снижению моторесурса.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предложенной полезной модели является дизель-генераторная установка (см. Герасимов А., Толмачев В., Уткин К. «Дизель-генераторные электростанции. Работа при переменной частоте вращения дизеля» // «Новости электротехники», №4(34), 2005 г. - С.8-15), включающая дизельный двигатель, топливный насос высокого давления с шаговым двигателем для перемещения рейки, установленный на дизельном двигателе, генератор, закрепленный на одном общем валу с дизельным двигателем, преобразователь частоты, подключенный к генератору, топливный бак, соединенный по топливопроводу с топливным насосом высокого давления.
Однако в данной установке отсутствует система управления частотой вращения дизельного двигателя при изменяющейся нагрузке электропотребления, что приводит к повышенному расходу топлива.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание дизель-генераторной установки с системой управления топливоподачей дизельного двигателя по минимуму расхода топлива.
Техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является уменьшение расхода топлива и увеличение моторесурса дизельного двигателя.
Поставленная задача решается тем, что дизель-генераторная установка, включающая дизельный двигатель, топливный насос высокого давления с шаговым двигателем для перемещения рейки, установленный на дизельном двигателе, генератор, закрепленный на одном общем валу с дизельным двигателем, преобразователь частоты, подключенный к генератору, топливный бак, соединенный по топливопроводу с топливным насосом высокого давления, согласно предлагаемому техническому решению, содержит блок управления топливоподачей (Фиг.1.), включающий микропроцессор, соединенный с шаговым двигателем топливного насоса высокого давления, постоянно запоминающее устройство и аналого-цифровой преобразователь, связанные с микропроцессором, датчик мощности, подключенный на выходе преобразователя частоты, датчик частоты вращения общего вала дизельного двигателя и генератора, датчик положения рейки топливного насоса высокого давления, блок датчиков предупреждения аварийных режимов работы дизельного двигателя, содержащий датчики температуры и давления масла дизельного двигателя, датчик температуры охлаждающей жидкости дизельного двигателя, блок датчиков коррекции, содержащий датчик температуры топлива в топливном баке, датчик температуры всасываемого воздуха в топливный насос высокого давления и датчик атмосферного давления, при этом каждый из датчиков связан с аналого-цифровым преобразователем.
Данные с датчика мощности, датчика частоты вращения общего вала дизельного двигателя и генератора, датчика положения рейки топливного насоса высокого давления, датчиков температуры и давления масла дизельного двигателя, датчика температуры охлаждающей жидкости дизельного двигателя, датчика температуры топлива в топливном баке, датчика температуры всасываемого воздуха в топливный насос высокого давления и датчика атмосферного давления поступают в аналого-цифровой преобразователь, который переводит их в цифровую форму. Данные в цифровой форме поступают на микропроцессор, который сравнивает их с данными, хранящимися в постоянно запоминающем устройстве, осуществляет расчет подачи по минимальному количеству впрыскиваемого топлива и подает сигнал на шаговый двигатель топливного насоса высокого давления. Шаговый двигатель топливного насоса высокого давления перемещает рейку топливного насоса высокого давления в зависимости от длительности сигнала поступающего с микропроцессора, тем самым, изменяя количество впрыскиваемого топлива поступающего в дизельный двигатель
Полезная модель поясняется следующими иллюстрациями, где на фиг.1 представлена блок схема дизель-генераторной установки; на фиг.2 - многопараметровая характеристика дизельного двигателя типа 8ЧН 13/14 (ЯМЗ-238Н).
Позициями на фиг.1 обозначены: 1 - дизельный двигатель, 2 - топливный насос высокого давления, 3 - шаговый двигатель топливного насоса высокого давления, 4 - рейка топливного насоса высокого давления, 5 - общий вал, 6 - генератор, 7 - преобразователь частоты, 8 - топливный бак, 9 - топливопровод, 10 - датчик положения рейки топливного насоса высокого давления, 11 - датчик частоты вращения общего вала, 12 - блок датчиков предупреждения аварийных режимов работы дизельного двигателя, 13 - датчик температуры масла в дизельном двигателе, 14 - датчик давления масла в дизельном двигателе, 15 - датчик температуры охлаждающей жидкости в дизельном двигателе, 16 - датчик мощности, 17 - блок датчиков коррекции, 18 - датчик температуры топлива в топливном баке, 19 - датчик температуры всасываемого воздуха топливным насосом высокого давления, 20 - датчик атмосферного давления, 21 - аналогово-цифровой преобразователь, 22 - микропроцессор, 23 - постоянно запоминающее устройство.
Установка включает дизельный двигатель 1, содержащий топливный насос высокого давления 2. Шаговый двигатель топливного насоса высокого давления 3 и рейку топливного насоса высокого давления 4, установленные в топливном насосе высокого давления 2. Общий вал 5, на котором установлен дизельный двигатель 1 и генератор 6. Преобразователь частоты 7, подключенный к генератору 6. Топливный бак 8 топливопроводом 9 соединен с топливным насосом высокого давления 2. На топливном насосе высокого давления установлен датчик положения рейки топливного насоса высокого давления 10. На дизельном двигателе 1 установлены датчик частоты вращения общего вала 11 и блок датчиков предупреждения аварийных режимов работы дизельного двигателя 12, в который входят датчик температуры масла в дизельном двигателе 13, датчик давления масла в дизельном двигателе 14, датчик температуры охлаждающей жидкости 15. Датчик мощности 16 установлен на выходе преобразователя частоты 7. Блок датчиков коррекции 17, в который входят датчик температуры топлива в топливном баке 18, датчик температуры всасываемого воздуха топливным насосом высокого давления 19 и датчик атмосферного давления 20, установленный вблизи и в одинаковых условиях с установкой. Аналогово-цифровой преобразователь 21, к которому подключены все датчики. Микропроцессор 22, подключенный к постоянно запоминающему устройству 23, соединен с аналого-цифровым преобразователем 21. Рейка топливного насоса высокого давления 4, связана с шаговым двигателем топливного насоса высокого давления, который связан с микропроцессором 22. (Фиг.1.)
Дизель-генераторная установка работает следующим образом. При изменении нагрузки электропотребления происходит изменение частоты вращения общего вала 5 и, как следствие, напряжения на выходе генератора 6. Установленный за генератором 6 преобразователь частоты 7 стабилизирует параметры сгенерированной электроэнергии.
Зафиксированные сигналы с датчика мощности 16, датчика частоты вращения 11 общего вала дизельного двигателя 1 и генератора 6, датчика положения рейки топливного насоса высокого давления 10, датчика температуры масла 13 дизельного двигателя 1, датчика давления масла 14 дизельного двигателя 1, датчика температуры охлаждающей жидкости 15 дизельного двигателя 1, датчика температуры топлива в топливном баке 18, датчика температуры всасываемого воздуха в топливный насос высокого давления 19 и датчика атмосферного давления 20 поступают в аналого-цифровой преобразователь 21, который переводит их в цифровую форму и передает на микропроцессор 22. По данным с блока датчиков 17 осуществляется корректировка необходимого количества впрыскиваемого топлива и воздуха в дизельный двигатель 1. По сигналам с датчика мощности 16, датчика частоты вращения 11 общего вала дизельного двигателя 1 и генератора 6, датчика положения рейки топливного насоса высокого давления 10 вычисляется необходимое воздействие на шаговый двигатель топливного насоса высокого давления 3.
Постоянно запоминающее устройство 23 хранит информацию значений о выходной мощности установки, частоте вращения общего вала 5, положении рейки топливного насоса высокого давления 4, температуре топлива в топливном баке 8, температуре всасываемого воздуха, атмосферном давлении, температуре и давлении масла в дизельном двигателе 1, температуре охлаждающей жидкости в дизельном двигателе 1, количестве и длительности впрыска топлива в дизельный двигатель 1, а также программное обеспечение, которое осуществляет опрос всех датчиков, обработку полученных данных и формирование управляющего воздействия.
Микропроцессор 22 осуществляет сравнение данных, поступающих с аналого-цифрового преобразователя 21, с данными, хранящимися в постоянно запоминающем устройстве 23, производит расчет и выбор режима работы дизельного двигателя 1 в соответствии с минимальным расходом топлива в зависимости от изменяемой нагрузки.
В качестве дизельного двигателя может быть использован дизельный двигатель типа 8ЧН 13/14 (ЯМЗ-238Н), для которого многопараметровая характеристика представлена на фиг.2.
Штрихпунктирная кривая ОАВ соответствует частоте вращения дизельного двигателя с минимальным расходом топлива, уравнение которой имеет вид
e
где  - частота вращения дизельного двигателя при минимальном удельном расходе топлива (об/мин); N - мощность, вырабатываемая дизельным двигателем, (кВт); y=1000, h=998,35,  x=-1,5, Ω=0,3363 - постоянные коэффициенты (безразмерная величина).
Аналитическое выражение количества минимального удельного расхода топлива, необходимое для поддержания скорости  для дизельного двигателя 8ЧН 13/14 (ЯМЗ-238Н) имеет вид:
e min
e
где g - наименьший удельный расход топлива, (г/кВт·ч); i=k·N+b; а=0,0383, b=0,5, c=-1,2144, d=15,601, e=-103,51, f=373,54,  m=-694,76, p=734,29 - постоянные коэффициенты (безразмерная величина).
Выражение (2) получено путем аппроксимации кривой, построенной для минимальных значений удельного расхода топлива различных режимов двигателя, изображенных на фиг.2.
e min
По выбранному значению минимального удельного расхода топлива дизель-генераторной установки g микропроцессор 22 подает сигналы на шаговый двигатель топливного насоса высокого давления 3, который перемещает рейку топливного насоса высокого давления 4, тем самым изменяет подачу топлива в дизельный двигатель 1.
Преимущество предложенной полезной модели заключается в возможности дизельного двигателя работать с переменной частотой вращения, что приводит к снижению расхода топлива и увеличению моторесурса.