ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02D1/12 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройству гидромеханических регуляторов частоты вращения двигателя внутреннего сгорания.

Аналогом является регулятор частоты вращения Д50, установленный на дизель тепловоза ТЗМ2 [1]. Недостатком этого регулятора является то, что режим сброса нагрузки при наибольшей заданной частоте вращения сопровождается значительным забросом частоты выше заданной, что может вызвать аварийную остановку двигателя. Режим увеличения нагрузки при наименьшей заданной частоте вращения (например, при включении нагрузки генератора, включении компрессора) сопровождается провалом частоты ниже заданной, что может вызвать остановку двигателя или сбои в работе вспомогательных устройств. Из-за этого приходится уменьшать наибольшую и увеличивать наименьшую заданную частоту вращения двигателя. Снижение верхнего предела частоты вызывает уменьшение мощности двигателя, а увеличение нижнего предела частоты - повышенный расход топлива в эксплуатации.

Известно устройство [2] , содержащее центробежный измеритель частоты вращения, устройство для задания частоты вращения, исполнительный серводвигатель, связанный с органом топливоподачи двигателя, серводвигатель изодромной обратной связи, распределительное устройство с золотником и двумя подвижными втулками, установленное в линии гидравлической связи источника давления с исполнительным серводвигателем и серводвигателем изодромной обратной связи, причем каждая из подвижных втулок распределительного устройства кинематически связана с серводвигателем изодромной обратной связи, а золотник - с центробежным измерителем частоты вращения. У этого регулятора уменьшены (или исключены) провалы частоты вращения вала двигателя при переходе на работу на нижний предел настройки частоты вращения.

Недостатком устройства является то, что сброс нагрузки при работе на верхнем пределе настройки сопровождается забросом частоты, а увеличение нагрузки при работе на низшем пределе настройки сопровождается провалом частоты, что может вызвать остановку двигателя или сбои в работе вспомогательных устройств.

Сущность предложения заключается в том, что в известном регуляторе в одну из подвижных втулок введен золотник, кинематически связанный с устройством задания частоты вращения, а гидравлически - с исполнительным серводвигателем.

Цель изобретения - повышение качества регулирования путем уменьшения забросов частоты при изменениях нагрузки.

На чертеже представлена схема предлагаемого регулятора.

Регулятор содержит центробежный измеритель частоты вращения с грузами 1, пружиной 2. Грузы приводятся во вращение через кинематическую передачу от вала двигателя. Устройство для задания частоты вращения содержит втулку 3, рычаг 4, вал 5 задания частоты, исполнительный серводвигатель 6, связанный с органом топливоподачи двигателя, серводвигатель 7 изодромной обратной связи. Распределительное устройство содержит золотник 8, втулки 9 и 10. Втулка 10 установлена в линии гидравлической связи источника давления с серводвигателем 6, а втулка 9 - в линии гидравлической связи источника давления с серводвигателем 7 изодромной обратной связи. Обе втулки через рычаги кинематически связаны с поршнем серводвигателя 7 изодромной обратной связи, причем передаточные отношения от поршня серводвигателя 7 к втулке 9 и от поршня серводвигателя 7 к втулке 10 разные. Золотник 8 кинематически связан с грузами 1 центробежного измерителя частоты вращения.

Во втулку 10 введен золотник 11, кинематически связанный с рычагом 4 устройства для задания частоты вращения. Диск золотника 11 управляет дополнительной подачей рабочей жидкости под поршень исполнительного серводвигателя 6. Диск имеет перекрыши. При среднем положении втулки 10 окна во втулке постоянно закрыты диском независимо от положения золотника. Отверстия во втулке 10 открываются, если золотник 11 находится в верхнем положении (нижний уровень настройки частоты вращения), а втулка 10 смещена в них от среднего положения. Полость под поршнем исполнительного серводвигателя 6 при этом соединена с источником давления. Отверстие во втулке 10 открывается, если золотник 11 находится в нижнем положении (верхний уровень настройки частоты вращения), а втулка 10 смещена вверх от среднего положения. Полость под поршнем исполнительного серводвигателя 6 при этом соединена с атмосферой.

В полость над поршнем исполнительного серводвигателя 6, в полость под поршнем серводвигателя 7, в полость между дисками золотника 8 и втулками 9 и 10, в полость под диском золотника 11 постоянно поступает рабочая жидкость (масло) под высоким давлением от масляного насоса двигателя или от собственного масляного насоса регулятора.

При установившемся режиме работы золотник 8, втулки 9 и 10, поршень серводвигателя 7 находятся в среднем положении. Поршень исполнительного серводвигателя 6 находится в положении, соответствующем текущему установившемуся нагрузочному режиму. Золотник 11 находится в положении, соответствующем установившемуся режиму частоты вращения.

Регулятор работает следующим образом.

При верхнем пределе настройки частоты и наибольшей нагрузке поршень серводвигателя 6 находится в верхнем положении. Золотник 11 - в нижнем положении. При сбросе нагрузки из-за высокого вращающего момента двигателя частота вращения вала начинает увеличиваться. Грузы измерителя частоты расходятся, золотник 8 движется вверх. Нижний диск золотника 8 открывает окно во втулке 10. Полость под поршнем серводвигателя 6 соединяется с атмосферой, поршень движется вниз и уменьшает подачу топлива и вращающий момент двигателя. Но одновременно открывается окно во втулке 9. Полость над поршнем серводвигателя 7 соединяется с высоким давлением, в полость поступает жидкость, поршень движется вниз, вместе с ним движутся вверх втулки 9 и 10. Окно во втулке 9 закрывается, а во втулке 10 остается открытым на небольшую величину. Выход жидкости из-под поршня серводви- гателя 6 замедляется, движение поршня уменьшает вращающий момент замедленно, то способствует увеличению частоты вращения вала двигателя. Но смещение втулки 10 вверх открывает окно золотником 11. Полость под поршнем серводвигателя 6 соединяется с атмосферой через золотник 11, поршень серводвигателя 6 опускается и выключает подачу топлива. Вращающий момент исчезает. Частота вращения вала двигателя снижается до заданной величины. Ко времени, когда частота вращения вала станет заданной, грузы 1, золотник 8, втулки 9 и 10, поршень серводвигателя 7 возвращаются в среднее положение. Поршень серводвигателя 6 останавливается в новом, соответствующем пониженной нагрузке положении. Переходный процесс заканчивается без значительного заброса частоты вращения выше заданной.

При нижнем пределе настройки частоты вращения и наименьшей нагрузке (холостой ход) поршень серводвигателя 6 находится в положении, близком к нижнему, а золотник 11 - в верхнем положении. При включении нагрузки из-за малого вращающего момента двигателя частота вращения двигателя начинает уменьшаться. Грузы измерителя частоты сходятся, золотник 8 движется вниз. Нижний диск золотник 8 открывает окно во втулке 10. Полость под поршнем серводвигателя 6 соединяется с высоким давлением, поршень движется вверх и увеличивает подачу топлива и вращающий момент двигателя. Но одновременно открывается окно во втулке 9. Полость над поршнем серводвигателя 7 соединяется с атмосферой, поршень движется вверх, вместе с ним движутся вниз втулки 9 и 10. Окно во втулке 9 закрывается, а во втулке 10 остается открытым на небольшую величину. Подвод жидкости под поршень серводвигателя 6 замедляется, движение поршня увеличивает вращающий момент замедленно, что способствует уменьшению частоты вращения вала двигателя. Но смещение втулки 10 вниз открывает окно золотником 11. Полость под поршнем серводвигателя 6 соединяется с высоким давлением через золотник 11, поршень серводвигателя поднимается и увеличивает подачу топлива. Вращающий момент возрастает. Частота вращения вала двигателя возвращается к заданной величине. Ко времени, когда частота вращения станет заданной, грузы 1, золотник 8, втулки 9 и 10, поршень серводвигателя 7 возвращаются в среднее положение. Поршень серводвигателя 7 останавливается в новом, соответствующем увеличенной нагрузке положении. Переходный процесс заканчивается без значительного провала частоты вращения ниже заданной.

Расчет системы регулирования [2].

Положение х золотника 8 измерителя частоты зависит от отклонения ω частоты вращения от заданной
х= k₁ ω Величина х положения золотника ограничена конструкцией регулятора и может изменяться только в узких пределах.

Скорость движения поршня серводвигателя 6 зависит от положения х золотника 8 и положения z₁ втулки 10
= - k₂(x-z₁) Движение поршня также ограничено конструкцией регулятора.

Скорость движения поршня серводвигателя 7 зависит от положения х золотника 8 и положения z₂ втулки 9
= - k₃(x-z₂) Величина отклонения поршня от среднего положения не ограничена.

Положение z₁ втулки 10 и положение z₂ втулки 9 зависят от положения z поршня серводвигателя 7
z₁=-k₄z,
z₂=-k₅z.

Изменение частоты вращения вала двигателя, если нет самовыравнивания, зависит от отклонения y поршня серводвигателя 6 от установившегося на заданном режиме работы положения
= k₆y
Поскольку в законе движения отдельных звеньев есть нелинейности (ограничения в движениях), исследование системы регулирования удобнее проводить численным методом. При исследовании задают конкретные значения коэффициентов уравнений: k₁=0,25 мм˙ с, k₂=100 с^-1, k₃=70 с^-1, k₆=2 с^-2мм^-1. Коэффициенты k₄ и k₅, характеризующие работу изодромной обратной связи, вычислены из условия, что длительность переходного процесса не будет превышать 3 с при отсутствии колебаний: k₄=0,2064, k₅=0,2167. Золотник 8 может двигаться в пределах -3 ≅х≅3 мм, отклонения поршня серводвигателя 6 от установившегося положения (y=0) -5≅y≅25 мм.

Табл. 1 показывает переходный пpоцесс после сброса нагрузки. Через 0,6 с после начала переходного процесса частота вращения вала двигателя увеличивается на Δn= 9,199 ˙30: π=87,8 об/мин. Если номинальная частота вращения n_о=1000 об/мин, то заброс равен
ϕ = = = 8,78% Согласно ГОСТ 10511-72 у системы регулирования с всережимным регулятором заброс частоты вращения не должен превышать18% . Выбранный в качестве прототипа регулятор удовлетворяет требованиям стандарта.

Движение золотника, поршней серводвигателей 6 и 7 и изменение отклонения частоты вращения вала двигателя можно проследить по табл. 1.

2. Предлагаемый регулятор.;
В предлагаемый регулятор введен золотник 11. Он изменяет уравнение движения поршня серводвигателя 6
= - k₂(x-z₁) - k₇z₁ причем член k₇z₁ вводится только тогда, когда отверстия во втулке 10 открыты диском золотника 11. Принимают значение k₇= 100 с^-1 и проводят исследование работы системы регулирования после сброса нагрузки. Результаты исследования приведены в табл. 2.

Окно во втулке 10 открыто золотником на отрезке времени от 0 до 0,663 с. Через 0,2 с после начала переходного процесса изменение частоты вращения вала двигателя достигает наибольшего значения Δn=3,556 ˙30: π=34,0 об/мин. При номинальной частоте вращения n_o=1000 об/мин заброс равен
ϕ = = 3,40% Предложенное устройство позволяет уменьшить заброс в 2,6 раза.

Движение золотника 8, поршней серводвигателей 6 и 7 и изменение отклонения частоты вращения вала двигателя можно проследить по табл. 2.

На переходные процессы после быстрого изменения частоты вращения вала двигателя золотник 11 влияния не оказывает, что показывает табл. 3. Переходный процесс происходит без заброса, как и у регулятора-прототипа. ГОСТ 10511-72 допускает забросы при таком виде возмущения, но этот заброс не должен приводить к остановке двигателя.

Использование: машиностроение, в частности, в гидродинамических регуляторах частоты вращения двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: регулятор имеет центробежный измеритель частоты вращения, устройство для задания частоты вращения, исполнительный серводвигатель 6, связанный с органом топливоподачи двигателя, серводвигатель 7 изодромной обратной связи, распределительное устройство с золотником 8 и двумя подвижными втулками 9 и 10, установленное в линии гидравлической связи источника давления с исполнительным серводвигателем 6 и серводвигателем 7 изодромной обратной связи, причем каждая из подвижных втулок 9 и 10 распределительного устройства кинематически связана с серводвигателем 7 изодромной обратной связи, а золотник 8 - с центробежным измерителем частоты вращения. В одну из подвижных втулок 10 введен дополнительный золотник 11, кинематически связанный с устройством для задания частоты вращения, а гидравлически - с исполнительным серводвигателем 6. 3 табл., 1 ил.

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий центробежный измеритель частоты вращения, устройство для задания частоты вращения, исполнительный серводвигатель, связанный с органом топливоподачи двигателя, серводвигатель изодромной обратной связи, распределительное устройство с золотником и двумя подвижными втулками, установленное в линии гидравлической связи источника давления с исполнительным серводвигателем изодромной обратной связи, причем каждая из подвижных втулок распределительного устройства кинематически связана с серводвигателем изодромной обратной связи, а золотник - с центробежным измерителем частоты вращения, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным золотником, установленным в одной из подвижных втулок и кинематически связанным с устройством для задания частоты вращения, а гидравлически - с исполнительным серводвигателем.