СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F16D43/26 F16H41/22 

Область использования - транспортное машиностроение.

Управление частотой вращения потребителей мощности двигателя внутреннею сгорания, обеспечивающее наилучшее функционирование вспомогательных агрегатов двигателя, таких как вентилятор охлаждения, генератор и других общемашинных агрегатов, например вентилятор отсоса пыли, составляет комплекс задач, решение которых позволяет повышать уровень разрабатываемой техники. Так, в авиации установочная мощность и соответственно габариты, масса и стоимость электрогенераторов существенно снижены благодаря использованию «привода постоянных оборотов» на базе гидростатической передачи с центробежным регулятором [1].

Постоянство требуемой частоты переменного тока генератора обеспечивается высокой степенью стабилизации его частоты вращения, достигающей ±0,5%.

Попытка управления частотой вращения вентилятора отсоса пыли была сделана применительно к моторно-трансмиссионному отделению гусеничной машины [2]. Привод был построен с использованием гидродинамической муфты, в которую были введены элементы автоматического регулирования. Однако распространить этот способ управления для стабилизации в определенном пределе частоты вращения вентилятора охлаждения двигателя внутреннего сгорания пока не удается из-за сложности гидродинамических процессов в гидромуфте с подпружиненными поворотными лопатками, не поддающихся надежному расчету.

Кроме того, относительно большая мощность, потребляемая вентилятором охлаждения на быстроходной гусеничной машине, составляющая до 10-12% мощности двигателя, требует установки и более габаритной и быстроходной гидромуфты, в которой повышенные центробежные и гидродинамические силы осложняют проектирование подвижных лопаток и их взаимодействие с пружинами. Поэтому на базе такой муфты обеспечить приемлемую регулировочную характеристику привода вентилятора охлаждения двигателя невозможно без большой экспериментальной работы.

Между тем, создание и использование «привода постоянных оборотов» вентилятора в определенном диапазоне частот вращения двигателя внутреннего сгорания (дизеля) существенно повысило бы функциональные и эксплутационные характеристики гусеничной машины, о чем более подробно будет сказано далее в описании заявляемого предложения.

В данной заявке предложен в общем виде способ стабилизации частоты вращения потребителя двигателя внутреннего сгорания, но в качестве примера использования способа рассмотрена возможность практической реализации на его основе «привода постоянных оборотов» вентилятора охлаждения двигателя. При этом в качестве преобразующего элемента оставлена гидродинамическая муфта, ставшая неотъемлемым устройством в приводах вентиляторов современных быстроходных машин.

Сущность способа заключается в том, что для поддержания частоты вращения потребителя мощности двигателя постоянной в определенном допуске его отклонения выбирают, исходя из допустимого изменения частоты вращения потребителя Δωn=ω_1n-ω_2n, измеряют текущую частоту вращения потребителя и при достижении последней верхней границы допуска ω₁ прекращают передачу крутящего момента от двигателя к потребителю, обеспечивая свободный выбег вращающихся частей потребителя, а при достижении им нижней границы допуска ω₂ через передаточное устройство подают крутящий момент от двигателя к потребителю, определяемый по выражению:

где ω_ПУ - угловая скорость передаточного устройства,

I_ПУ - момент инерции вращающихся частей передаточного устройства,

i_ПУ - передаточное отношение передаточного устройства,

ω_П - угловая скорость потребителя,

I_П - момент инерции вращающихся частей потребителя,

ΔM_нагр=(M₁-M₂) - изменение момента на валу потребителя,

M₁ - крутящий момент на валу потребителя на верхней границе допуска по частоте вращения,

М₂ - крутящий момент на валу потребителя на нижней границе допуска по частоте вращения.

Затем цикл повторяют с частотой (в Герцах):

где: t_Ц=t_В+t_Р

t_Ц - время цикла, с

t_B - время выбега, с

t_В - время разгона, с

ε_В - угловое ускорение потребителя при выбеге ,

ε_Р - угловое ускорение потребителя при разгоне .

Сущность устройства стабилизации частоты вращения потребителя двигателя внутреннего сгорания, например вентилятор системы охлаждения двигателя, заключается в том, что оно содержит исполнительное устройство и блок управления с обратной связью. При этом исполнительное устройство выполнено в виде гидромуфты с насосным и турбинным колесами, в полости которой установлена управляемая фрикционная муфта, снабженная фрикционным диском, который взаимодействует с тыльной стороной насосного колеса. Фрикционная муфта вместе с корпусом гидромуфты образуют бустерную полость с поршнем, сообщающуюся гидролинией с источником гидравлического давления, к которому подключено и дроссельное отверстие, соединенное с проточной рабочей полостью гидромуфты, которая, в свою очередь, снабжена дополнительным дросселем, установленным на наружной части корпуса гидромуфты. Так же этот блок управления снабжен датчиками измерения частот вращения вала двигателя и вала потребителя, соединенных с устройством сравнения, связанным с электрогидравлическим клапаном, установленным в гидролинии бустерной полости.

Для обеспечения быстродействия фрикционной муфты в пределах до 20 Гц ее поршень должен быть гидравлически уравновешен от действия центробежных сил.

Сущность устройства уравновешивания заключается в том, что тело поршня продлено до внутреннего диаметра корпуса гидромуфты и уплотнено кольцевым подвижным уплотнением, а запоршневое пространство этого участка поршня дренировано гидравлическими разгрузочными отверстиями.

Устройство для осуществления способа стабилизации частоты вращения потребителя двигателя внутреннего сгорания представлено на фиг.1-3. На фиг.1 показан продольный разрез конструкции исполнительного устройства, на фиг.2 представлен блок управления с обратной связью, на фиг.3 показан расчетный график изменений частоты вращения вентилятора охлаждения двигателя в типовом исполнении привода вентилятора и при использовании устройства стабилизации частоты вращения.

Исполнительное устройство (фиг.1) выполнено в виде гидромуфты с насосным 1 и турбинным 2 колесами, в полости которой установлена управляемая фрикционная муфта. снабженная фрикционным диском 3, взаимодействующим с тыльной стороной насосного колеса и образующая вместе с корпусом 4 гидромуфты бустерную полость с поршнем 5. Бустерная полость (запоршневое пространство) сообщается гидролинией 6 с источником гидравлического давления 16 (фиг.2), к которому подключено дроссельное отверстие 8 для заполнения рабочей полости гидромуфты. Проточность рабочей полости гидромуфты для ее охлаждения обеспечивается установкой на наружной части корпуса гидромуфты дополнительного дросселя 9 (сливного отверстия).

Блок управления 10 (фиг.1) снабжен датчиками 10 и 11 измерения частот вращения вала двигателя 12 и вала потребителя (вентилятора 13), соединенных с устройством сравнения 14, которое связано с электрогидравлическим клапаном 15, установленным в гидролинии бустерной полости. Источником гидравлического давления для исполнительного устройства 17 служит насос 16, снабженный редукционным клапаном. На позиции 18 показаны клеммы для подключения источника электропитания блока управления.

Устройство гидравлического управления поршня от действия центробежных сил масла заключено в наличии периферийной части поршня 6 (фиг.1), уплотненной кольцевым подвижным уплотнением 19 и во введении разгрузочных отверстий 20.

Представленное устройство стабилизации в определенных пределах частоты вращения вентилятора охлаждения двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.

После запуска двигателя 12 и появления давления масла в насосе 16 устройство сравнения 14 в блоке управления 10 выдает сигнал на открытие электрогидравлического клапана 15, что приводит к включению фрикционной муфты через гидролинию 6 и заполнению рабочей полости гидромуфты через дроссель 7. Заполняющаяся гидромуфта с включенным фрикционом начинают передавать вращение вентиляторному колесу 13, которое по заполнении гидромуфты приобретает какую-то частоту вращения при скольжении в гидромуфте порядка 3...4% (i_ГМ 0>96...0,97). Частота вращения вентилятора при этом выше частоты вращения вала двигателя, потому что между двигателем и насосным колесом гидромуфты устанавливается повышающая зубчатая передача, которая на приведенных чертежах не показана. Вентилятор связывается с турбинным колесом также через зубчатую передачу с передаточным числом, равным единице (не показано). После прогрева двигателя начинается движение гусеничной (транспортной) машины. При повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя изменение частоты вращения вентилятора происходит согласно графику (позиция 21 фиг.3). По достижении двигателем частоты вращения вентилятор выходит на допустимую по окружной скорости обода колеса частоту вращения n_в∂on Дальнейшее повышение частоты вращения коленвала двигателя до соответствующей максимальной мощности двигателя сопровождается периодическим выключением фрикционной муфты, что ограничивает рост частоты вращения вентилятора верхним пределом допуска, выбираемым из общих соображений о конструкции колеса вентилятора и расчетном запасе прочности. Периодическое включение фрикционной муфты сигналами блока управления не позволяет вентилятору опуститься к частоте вращения ниже выбранного предела допуска, что стабилизирует частоту вращения вентилятора. На фиг.3 изменение частоты вращения вентилятора в пределах показано пилообразным графиком со средним значением n_в∂on На частоте двигателя передаточное отношение гидромуфты уменьшается в раза и становится равным а ее КПД соответственно 67...68% вместо 96...97% на частоте двигателя

По сравнению с типовым исполнением приводов вентиляторов, когда допустимое значение частоты вращения вентилятора соответствует частоте двигателя на максимальной мощности - график, позиция 22 на фиг.3, стабилизированный привод по данной заявке позволяет получить на частоте двигателя существенную прибавку частоты, мин, вращения вентилятора что значительно повышает возможности теплосъема системой охлаждения двигателя на средних частотах двигателя. Ориентировочные расчеты для двигателя мощностью 510 кВт показала, что в диапазоне средняя мощность двигателя может быть повышена не менее чем на 10%, а коэффициент приспособляемости поднят с 1,14 до 1,57 при установке стабилизированного по частого вращения вентилятора. Показанное на фиг.3 означает теоретически возможное превышение частоты вращения вентилятора против допустимого значения или величину максимальной «срезки» частоты вращения вентилятора устройством стабилизации и его блоком управления. Позицией 23 обозначена область подъема частот вентилятора стабилизированным приводом по сравнению с типовым.

Частота переключений фрикционной муфты, в Герцах, рассчитывается по вышеприведенной формуле (2), где время разгона в отличие от (2) вычисляется по преобразованной формуле (I):

где:

I₁ - момент инерции насосного колеса гидромуфты, заполненного маслом;

π=3,14;

μ- - коэффициент трения в паре трения фрикционной муфты;

g - удельное давление в дисках фрикционной муфты.

Рассчитывается по формуле

где 2π=6,28;

R_ср - средний радиус диска;

λ - коэффициент, учитывающий наличие спиральных и радиальных канавок на металлокерамическом диске;

В - радиальный размер полотна диска трения;

Р - сила сжатия дисков;

Z - число пар трения;

ΔМ_в - потеря момента на вентиляторе по окончании выбега;

М₂ - момент на вентиляторе в конце выбега;

ω₂- угловая скорость вентилятора в конце выбега;

М₀ - момент трения в осевой опоре насосного колеса (фиг.1, поз.24);

i_ГМmin - минимальное передаточное отношение в гидромуфте (на границе диапазона регулирования при n_{∂ max})

Гидравлическое уравновешивание поршня 5 происходит потому, что между периферийной частью поршня и диском 25 (фиг.1) возникает центробежное давление масла, равное центробежному давлению масла в запоршневом пространстве включенного фрикциона. Разгрузочные отверстия 20 делают стабильным центробежное усилие на поршень в верхней его части, что приводит к четкой работе устройства.

Литература

1. Полюшков В.А. Доклад на межотраслевой научно-технической конференции но гидроприводам современных транспортных машин. М., МАДИ, 1978 г.

2. Описание изобретения к авторскому свидетельству №821810 «Гидродинамическая муфта», опубликовано 15.04.81. Бюллетень №14 (прототип).

Изобретение относится к транспортному машиностроению. Способ стабилизации частоты вращения потребителя двигателя внутреннего сгорания заключается в поддержании ее в определенном допуске отклонений. Отклонения выбирают, исходя из допустимого изменения частоты вращения потребителя: измеряют текущую частоту вращения потребителя и при достижении последней верхней границы допуска ω₁ прекращают подачу крутящего момента от двигателя к потребителю с обеспечением свободного выбега вращающихся частей потребителя. При достижении им нижней границы допуска ω₂ через передающее устройство подают крутящий момент от двигателя к потребителю, определяемый математическим выражением. Устройство стабилизации частоты вращения потребителя ДВС содержит исполнительное устройство и блок управления с обратной связью. Исполнительное устройство выполнено в виде гидромуфты с насосным и турбинным колесами, в полости которой установлена управляемая фрикционная муфта. Фрикционная муфта снабжена фрикционным диском, который взаимодействует с тыльной стороной насосного колеса и образует вместе с корпусом гидромуфты бустерную полость с поршнем, сообщающуюся гидролинией с источником гидравлического давления. К источнику гидравлического давления подключено и дроссельное отверстие. Оно соединено с рабочей полостью гидромуфты и снабжено дополнительным дросселем, который установлен на наружной части корпуса гидромуфты. Блок управления снабжен датчиками измерения частоты вращения вала двигателя и вала потребителя, соединенными с устройством сравнения, связанным с электрогидравлическим клапаном, установленным в гидролинии бустерной полости. Технический результат заключается в обеспечении постоянства оборотов вентилятора в определенном диапазоне частот вращения ДВС. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ стабилизации частоты вращения потребителя двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в поддержании ее в определенном допуске, отличающийся тем, что отклонения частоты вращения потребителя выбирают исходя из допустимого изменения его частоты вращения: измеряют текущую частоту вращения потребителя и при достижении последней верхней границы допуска ω₁ прекращают подачу крутящего момента от двигателя к потребителю, обеспечивая свободный выбег вращающихся частей потребителя, а при достижении им нижней границы допуска ω₂ через передаточное устройство подают крутящий момент от двигателя к потребителю, определяемый по выражению

где ω_пу - угловая скорость передаточного устройства;

I_пу - момент инерции вращающихся частей передаточного устройства;

i_пу - передаточное отношение передаточного устройства;

ω_п - угловая скорость потребителя;

I_п - момент инерции вращающихся частей потребителя;

ΔМ_нагр=(М₁-М₂) - изменение момента на валу потребителя;

M₁ - крутящий момент на валу потребителя на верхней границе допуска по частоте вращения;

М₂ - крутящий момент на валу потребителя на нижней границе допуска по частоте вращения,

затем цикл повторяют с частотой, Гц:

где t_ц=t_в+t_р;

t_ц - время цикла, с;

t_в - время выбега, с;

t_p - время разгона, с;

ε_в - угловое ускорение потребителя при выбеге;

ε_р - угловое ускорение потребителя при разгоне.