РЕГУЛЯТОР ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК F02D31/00 F02D1/08 

Изобретение относится к автоматическим регуляторам частоты вращения тепловых двигателей, преимущественно дизелей.

Общеизвестные механические регуляторы частоты вращения с центробежным чувствительным элементом Уатта не в полной мере отвечают возможностям повышения уровня автоматизации управления подачей топлива теплового двигателя. Это связано с тем, что практически каждая функция автоматизированного управления подачей топлива, например, дистанционная или автоматическая остановка двигателя, его перенастройка на новый скоростной режим, ограничение подачи топлива по предельному значению того или другого контролируемого параметра двигателя и др. требует, как правило, собственного приводного исполнительного устройства, что в конечном итоге существенно усложняет конструкцию регулятора частоты вращения и двигателя в целом.

Автоматизированные энергетические машины с тепловыми двигателями должны иметь улучшенные экологические, эргономические и технико-экономические характеристики за счет рационального управления преобразованием энергии топлива в работу машины.

Наилучшим образом управление подачей топлива обеспечивается с помощью электронного регулятора частоты вращения двигателя, который, в отличие от механического регулятора, при большом многообразии функций управления подачей топлива обычно имеет один позиционирующий электропривод, электрическая машина которого связана с топливодозирующим органом теплового двигателя.

Одним из наименее устойчивых объектов регулирования частоты вращения среди тепловых двигателей является дизель, имеющий, как правило, близкое к нулевому или отрицательное самовыравнивание.

Наиболее обширная группа известных электронных регуляторов частоты вращения дизеля содержит в своем составе электрическую машину в виде электродвигателя знакопеременного направления движения якоря, обычно моментного электродвигателя, поворотного или линейного шагового электродвигателя, пропорционального электромагнита и др. Управление электродвигателем обеспечивается с помощью электронного блока управления частотой вращения дизеля, подключенного своими входами к измерителю частоты вращения дизеля и устройству задания. Примером подобного регулятора может служить электронный регулятор частоты вращения, описанный в [1]
Несмотря на очевидные преимущества электронных регуляторов по сравнению с механическими, регуляторы описанной группы пока не получают должного распространения, что можно объяснить несколькими причинами.

Устойчивость, статические, динамические и энергетические показатели качества системы регулирования частоты вращения дизеля зависят от чувствительности позиционирующего электропривода к управляющим воздействиям и частоты перекладки направления движения топливодозирующего органа. Так как дизель является неустойчивым объектом регулирования, то для точного поддержания заданной частоты вращения требуется повышенная частота перекладки выходного вала электродвигателя. При этом положение его вала приближается к состоянию покоя. Такой режим подобен режиму работы электродвигателя с заторможенным якорем, что приводит к повышенному току в обмотках статора, магнитному насыщению и перегреву электродвигателя.

Проблема электромагнитных потерь в еще большей мере усугубляется при создании электронных регуляторов с электродвигателями знакопеременного направления движения для тепловозных и судовых дизелей, где требуются электроприводы большой мощности. В этих случаях электродвигатель электронного регулятора, как правило, объединяется в едином конструктивном узле с гидравлическим или пневматическим сервоусилителем. В результате этого электромеханическая часть электронного регулятора существенно усложняется.

Отнесенные к аналогам регуляторы с электроприводом знакопеременного направления движения содержат электронный измеритель частоты вращения двигателя, выполненный, как правило, в виде датчика импульсных сигналов, снимаемых с зубчатого венца маховика двигателя.

Применение электронного измерителя частоты вращения двигателя ставит перед разработчиком свои проблемы. Одна из них заключается в том, что дискретное измерение частоты вращения двигателя требует определенного интервала времени, затрачиваемого блоком управления частотой вращения дизеля на снятие, обработку и преобразование сигналов от накопленных измерителем импульсов. Это, в конечном итоге, приводит к задержке формирования управляющего сигнала в электронном блоке управления и, как следствие, к ухудшению статических и динамических показателей качества регулирования частоты вращения дизеля.

Кроме того, нарушение главной обратной связи системы регулирования из-за обрыва какой-либо электрической цепи в измерителе или в электронном блоке управления частотой вращения дизеля вплоть до первичного элемента сравнения с заданием приводит дизель, являющийся по своей природе неустойчивым объектом регулирования, к "разносу". Поэтому все электрические цепи и устройства, образующие главную обратную связь системы регулирования, требуют исключительно надежного исполнения. Как правило электронный регулятор оснащается двумя-тремя дублирующими или резервирующими друг-друга измерителями частоты вращения дизеля.

Перечисленные трудности практической реализации электронных регуляторов рассмотренного типа в значительной мере могут быть преодолены в случае применения в тепловых двигателях электронных регуляторов частоты вращения с дифференциальным измерительно-исполнительным механизмом. Регулятор подобного типа, выбранный за прототип описан в [2]
Электронный регулятор частоты вращения теплового двигателя содержит электрическую машину одностороннего направления вращения, в рассматриваемом случае, в виде электродвигателя, одна из частей которого является ротором, кинематически связанным с валом регулируемого двигателя, а другая статором, и блок управления частотой вращения регулируемого двигателя, подключенный своим выходом к регулируемому по частоте вращения электродвигателю.

Сопоставление позиционирующих приводов топливодозирующего органа теплового двигателя показывает, что применяемая в прототипе электрическая машина с односторонним направлением вращения ротора при прочих равных условиях значительно превосходит по своим энергетическим показателям используемую в аналогах электрическую машину со знакопеременным направлением движения якоря.

В отличие от аналогов электронный регулятор, выполненный по схеме прототипа, может быть применен на двигателе большой мощности, так как за счет использования электродвигателя повышенной мощности не требуется объединение электромеханической части регулятора с каким-либо гидравлическим или пневматическим сервоусилителем.

Кроме того, регулятор прототипа имеет чисто механический измеритель частоты вращения двигателя в виде дифференциального механизма, что обеспечивает из-за жесткой связи дизеля с топливодозирующим органом отсутствие какого-либо запаздывания в измерении, сравнении с заданием и в передаче управляющего силового воздействия электродвигателя на топливодозирующий орган двигателя, при этом главная обратная связь системы автоматического регулирования в виде механической передачи обладает достаточно высокой надежностью.

Однако и такой электронный регулятор, выполненный по схеме прототипа, не в полной мере удовлетворяет разработчиков, поскольку для его реализации требуется применение достаточно трудоемкого в изготовлении и сборке дифференциального механизма с большим количеством зубчатых колес.

Задача изобретения состоит в том, чтобы, обеспечивая положительные свойства прототипа, максимально упростить конструкцию электромеханической части регулятора.

Задача решена тем, что регулятор частоты вращения теплового двигателя содержит электрическую машину одностороннего направления вращения, одна из частей которой является ротором, кинематически связанным с валом теплового двигателя, а другая часть с статором, и блок управления частотой вращения теплового двигателя, подключенный своим выходом к электрической машине, при этом статор, имея возможность углового перемещения, кинематически связан с топливодозирующим органом теплового двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Регулятор 1 связан с тепловым двигателем 2, имеющим топливодозирующий орган 3 в виде рейки топливного насоса высокого давления и выходной вал 4 теплового двигателя 2, кинематически связанный через коническую передачу в ротором 5 электрической машины 6. Статор 7 электрической машины 6 кинематически связан с зубчатым колесом 8, образующим реечное зацепление с топливодозирующим органом 3. Статор 7 имеет возможность углового перемещения в пределах, ограниченных крайними положениями топливодозирующего органа 3. Крайне левое положение соответствует максимальной подаче топлива, крайнее правое полному отключению подачи топлива. К статору 7 через гибкий кабель 9 подключен своим выходом 10 блок 11 управления частотой вращения теплового двигателя 2. Устройство 12 задания частоты вращения своим выходом 13 подключено ко входу блока 11. Пружина 14 автоматического отключения подачи топлива связана с топливодозирующим органом 3.

Регулятор работает следующим образом.

Перед пуском двигателя 2 с устройства 12 на выход 13 подается сигнал заданной частоты вращения двигателя 2.

В блоке 11 сигнал задания преобразуется в управляющий сигнал, который подается на статор 7, например, для асинхронного двигателя в виде переменного тока требуемой частоты. Наличие движущей силы, образуемой вращающимся магнитным полем в обмотках электрической машины, разворачивает статор 7 относительно неподвижного ротора 5 и через реечную передачу передвигает топливодозирующий орган 3 в левое положение, соответствующее максимальной подаче топлива. После прокрутки пусковым стартером двигатель 2 запускается и при разгоне набирает частоту вращения вала 4. После того как частота вращения ротора 5 сравняется с заданной частотой, вырабатываемой в обмотках статора 7, двигатель 2 продолжает разгоняться и электродвигатель переходит в генераторный режим работы. При этом реакция статора 7 изменит свое направление и статор 7, разворачиваясь, начинает выдвигать топливодозирующий орган 3 вправо, снижая частоту вращения регулируемого двигателя. Процесс регулирования частоты вращения двигателя 2 будет идти до тех пор, пока не наступит равновесие между заданной частотой тока в обмотках статора 7 и частотой вращения ротора 5, обусловленной частотой вращения двигателя 2.

В случае изменения нагрузки двигателя 2, например, при ее увеличении, частота вращения двигателя 2 уменьшится и, благодаря реакции, статор 7 повернется в направлении, соответствующем увеличению подачи топлива. В результате этого скоростной режим двигателя 2 восстановится до значения, соответствующего заданной частоте вращения.

При перенастройке частоты вращения с помощью устройства 12 соответственно изменяется частота тока, вырабатываемая блоком 11. Реакция статора 7 в этом случае и направление движения топливодозирующего органа 3 будут зависеть от того, в какую сторону произошло изменение сигнала задания устройства 12. Так например при повышении частоты вырабатываемого тока статор 7 начнет разворачиваться в сторону увеличения подачи топлива до тех пор, пока двигатель 2 не выйдет на частоту вращения, соответствующую заданной. При уменьшении сигнала на выходе 13 или потере электропитания двигатель 2 за счет сил трения в механизме разворачивает статор 7 в сторону отключения подачи топлива. Дополнительно для этой же цели служит пружина 14, способствующая за счет силы натяжения перемещению топливодозирующего органа 3 в сторону отключения подачи топлива.

Выход 10 блока 11 может быть подключен к обмоткам статора 7 или ротора 5 различным способом. На чертеже показан гибкий кабель 9, позволяющий статору 7 разворачиваться в требуемых пределах. В том случае, если это целесообразно, возможно подключение выхода 10 к обмоткам статора 7 через щеточный или бесщеточный коллекторный узел. Таким же способом через коллекторный узел возможно подключение выхода 10 к обмоткам ротора 5.

Электрическая машина 6, имея обратимые свойства, может быть выполнена не только в виде электродвигателя, но и в виде электрогенератора.

Во втором случае процессы регулирования частоты вращения двигателя 2 с помощью электрической машины 6, выполненной в виде электрогенератора аналогичны процессам, описанным выше для варианта с электродвигателем. При этом сигнал управления частотой вращения двигателя 2 подается с выхода 10 на обмотки возбуждения генератора или его нагрузочное устройство.

Изобретение имеет преимущества по сравнению с известными регуляторами частоты вращения тепловых двигателей. Регулятор, обладая всеми положительными свойствами прототипа, имеет достаточно простую конструкцию измерительно-исполнительной механической части и не содержит трудоемкого в изготовлении дифференциального механизма.

Таким образом, предлагаемый регулятор позволяет наиболее рациональным образом обеспечить стык между управляющей электроникой и силовой механикой теплового двигателя, обеспечивая высокие статические, динамические и энергетические показатели качества регулирования частоты вращения.

Изобретение может быть использовано в областях техники, в которых применяются дизели различного типа, назначения и мощности, в том числе в тракторах и сельскохозяйственных машинах, в дизельных автомобилях и автобусах, карьерных самосвалах и строительно-дорожных машинах, дизель-электрических генераторах и перекачивающих установках, промышленных тракторах и тепловозах, а также в судовых дизелях и газовых турбинах.

Использование: автоматические регуляторы частоты вращения двигателей. Сущность изобретения: регулятор частоты вращения теплового двигателя, преимущественно дизеля, содержит электрическую машину одностороннего направления вращения. Последняя имеет ротор, кинематически связанный с валом теплового двигателя и статор, имеющий возможность углового перемещения, который кинематически связан с топливодозирующим органом. К электрической машине подсоединен блок управления частотой вращения теплового двигателя. 4 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Регулятор (1) частоты вращения теплового двигателя (2), содержащий электрическую машину (6) одностороннего направления вращения, одна из частей которой является ротором (5), кинематически связанным с валом (4) теплового двигателя (2), а другая часть статором (7), и блок (11) управления частотой вращения теплового двигателя (2), подключенный своим выходом (10) к электрической машине (6), отличающийся тем, что статор (7), имея возможность углового перемещения, кинематически связан с топливодозирующим органом (3) теплового двигателя (2). 2. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что блок (11) подключен своим выходом (10) к обмоткам статора (7). 3. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что блок (11) подключен своим выходом (10) к обмоткам ротора (5). 4. Регулятор по пп. 1 3, отличающийся тем, что электрическая машина (6) выполнена в виде электродвигателя. 5. Регулятор по пп. 1 3, отличающийся тем, что электрическая машина (6) выполнена в виде электрогенератора.