Автономная дизель-электрическая установка Советский патент 1991 года по МПК F02D29/06 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в автономных электроагрегатах с приводными тепловыми двигателями, работающими при переменной частоте вращения.

Известна электроэнергетическая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания и асинхронизированный синхронный генератор.

Недостатком этой установки является низкая стабильность частоты вращения в режимах постоянных нагрузок, что обусловливает перерасход топлива.

Известна электроэнергетическая установка, состоящая из дизельного двигателя, асинхронизированного синхронного генератора, в которой частота вращения вала регулируется в функции от нагрузки

Недостатком этой установки является низкое быстродействие в динамических режимах, что приводит к низкой экономичности.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является система регулирования топливоподачи двигателя внутреннего сгорания транспортной энергетической установки.

Недостатком этой системы является низкая экономичность, что приводит к перерасходу топлива.

Низкая экономичность прототипа обусловлена тем, что при управлении процессами преобразования энергии с целью обеспечения минимума расхода топлива отсутствует комплексное многомерное регулирование с отрицательными обратными связями по углу опережения впрыска, частоте вращения и коэффициенту избытка воздуха дизеля в зависимости от нагрузочных режимов.

Целью изобретения является повышение экономичности.

Указанная цель достигается гем, что в известную энергетическую устанопку со(Л

С

о

Ч) 00 4 О 00

держащую дизель с турбокомпрессором и топливным насосом, электрический генератор с системами возбуждения и регулирования напряжения, кинематически связанный с валом отбора мощности дизеля, датчик частоты вращения коленчатого вала дизеля, датчик активной мощности, блок управления, вход которого связан с выходами датчиков, и исполнительный механизм, кинематически связанный с органом дозирования топливного насоса, а электрически - с входом блока управления, дополнительно введены датчик положения органа дозирования, датчик угла опережения впрыска топлива, датчик частоты вращения турбокомпрессора, датчик давления нэддуваемо- го воздуха, датчики давления и температуры окружающей среды, орган регулирования угла опережения впрыска топлива с исполнительным механизмом, орган регулирования давления наддува с исполнительным механизмом и датчик положения органа регулирования давления наддува, блок управления выполнен в виде управляющей микроЭВМ с шиной входных данных, блоком памяти с записанными в нем подпрограммами оптимизация, входными преобразователями по числу датчиков, выходными преобразователями по числу исполнительных механизмов, а также с процессором, шина входных данных выполнена в виде входа.блока управления, а каждый из выходных преобразователей своим выходом связан со входом соответствующего исполнительного механизма, причем выходы выходных преобразователей выполнены в виде выхода блока управления.

Введение блока управления в виде управляющей микроЭВМ с блоком памяти и подключение через входной преобразователь к входу блока управления датчика активной мощности позволяет по текущему значению нагрузки PH{t) на основе заложенных в блоке памяти оптимальных зависимостей скорости от нагрузки Ohm т{Рн), угла опережения впрыска от скорости v0m - f(ft) и коэффициента избытка воздуха от скорости Ооггг f(ft) вычислить оптимальные значения

йЪпт , опт 1 (Хот

Подключение выхода датчика частоты вращения через входной преобразователь к входу блока управления, а выхода последнего через выходной преобразователь к исполнительному механизму, кинематически связанному с органом дозирования топливного насоса, делает контур управления скоростью замкнутым. Введение органа регулирования угла опережения впрыска топлива с исполнительным механизмом, подключение входа последнего через выходной преобразователь к выходу блока управления позволяет сформировать контур управления впрыском. Подключение датчика угла опережения впрыска топлива через входной преобразователь к блоку управления делает контур управления впрыском замкнутым. Введе0 ние органа регулирования давления наддува с исполнительным механизмом, подключение входа последнего через выходной преобразователь к выходу блока управления позволяет сформировать контур

5 управления наддувом двигателя. Подключение датчика положения органа дозирования, датчика положения органа регулирования давления наддува, датчика частоты вращения турбокомпрессора, дат0 чика давления наддува, датчиков давления и температуры окружающей среды через входные преобразователи к входам блока уп - равления позволяет образовать отрицательную обратную связь в контуре

5 управления наддувом двигателя.

Блок управления по статической характеристике компрессора Лк f(Wk Gk. с&), скоростной характеристике топливного насоса дц f(h, ft ) и программе вычисле0 нмя текущего значения коэффициента избытка воздуха a (t), заложенных в блоке памяти, с учетом текущих значений давления м температуры окружающей среды вычисляет a (t).

5 Регулирование в контурах управления скоростью, впрыском и наддувом осуществляется по отклонениям, которые вычисляются в блоке управления как разности задающих воздействий, т.е. оптимальных,

0 и текущих значений регулируемых величин:

Ай «опт - со (t ); АV VORT - v (t ); Да оъпт -«(t) Таким образом, наличие замкнутых

$ контуров управления скоростью, впрыском и наддувом, регулирование относительно оптимального для данной нагрузки значения скорости, оптимальных для данной оптимальной скорости угла опережеQ ния впрыска и коэффициента избытка воздуха, а также учет атмосферного давления и температуры окружающей среды позволяет в отличии от прототипа выбрать наиболее экономичный режим преобразования энергии топлива, а следовательно, повысить экономичность установки.

На фмг.1 представлена функциональная схема установки; на фиг.2-4 - соответственно оптимальные по критерию минимума

5

расхода топлива зависимости частоты вращения вала двигателя от нагрузки i(, гла опережения впрыска от частоты V0m f(ft)), коэффициента избытка воздуха от частоты опт flw); на фиг.5 - статическая характеритика компрессора тгк f((uk, Gk, «k); на фиг.6 - коростная характеристика топливного насоса ц f(h, а) ); на фиг.7 - вариант конструкции органа регулирования угла опережения впрыска топлива с исполнительным механизмом; на фиг.8 - вариант конструкции органа регулирования давления наддува с исполнительным механизмом; на фиг.9 - алгоритм функционирования блока управления; на фиг,10 - алгоритм вычисления екущих значений коэффициента избытка воздуха.

Автономная дизель-электрическая установка содержит дизель 1 (фиг. 1) с турбокомпрессором 2 и топливным насосом 3, электрический генератор 4 с системами возбуждения и регулировки напряжения, кинематически связанный с валом отбора мощности дизеля 1, датчик 5 частоты вращения коленчатого вала дизеля 1, датчик 6 активной мощности, блок управления 7, вход которого связан с выходами датчиков, и исполнительный механизм 8, кинематически связанный с органом дозирования 9 топливного насоса 3, а электрически - с выходом блока управления 7.

Установка также снабжена датчиком 10 положения органа дозирования, датчиком 11 угла опережения впрыска топлива, дат- чиком 12 частоты-вращения турбокомпрессора, датчиком 13 давления наддуваемого воздуха, датчиком 14 и 15 давления и температуры окружающей среды, органом регулирования 16 угла опережения впрыска топлива с исполнительным механизмом 17, органом регулирования 18 давления наддува с исполнительным механизмом 19 и датчиком 20 положения органа регулирования давлением наддува, блок управления 7 выполнен в виде управляющей микроЭВМ с шиной 21 входных данных, блоком памяти 22 с записанными в нем подпрограммами оптимизации, входными преобразователями 23-31 по числу датчиков, выходными преобразователями 32-34 по числу исполнительных механизмов, а также с процессором 35, шина 21 входных данных выполнена в виде входа блика управления 7, а каждый из выходных преобразователей 32- 34 своим выходом связан со входом соответствующего исполнительного механизма, причем выходы выходных преобразователей 32-34 выполнены в виде выхода блока управления 7.

Исполнительный механизм 17 и орган регулирования 16 (фиг.1) угла опережения впрыска топлива представляют собой катушку с обмоткой 1 (фиг.7), внутри которой

расположен стержневой постоянный магнит 2, поджатый пружинами, к магниту прикреплен шток 3, кинематически связанный с рычагом регулирования угла опережения впрыска 4 муфты регулирования угла опере0 жения впрыска 5.

Исполнительный механизм 19 и орган регулирования 18 (фиг.1) давления наддува могут быть представлены в виде, изображенном на фиг.8, где 1 - катушка с обмоткой, внутри

5 которой расположен стержневой постоянный магнит 2. поджатый пружинами. К магниту прикреплен шток 3, кинематически связанный со штоком золотника 4 и гидравлического серводвигателя 5. Поршень серводвигателя 5

0 кинематически связан с диффузором компрессора 6 и датчиком положения органа регулирования давления наддува 7.

Датчики давления наддуваемого воздуха 13, давления 14 и температуры 15 окру5 жающей среды представляют собой известные преобразователи давления и температуры в электрический сигнал.

Блок управления 7 выполнен на базе управляющей микроЭВМ (например типа

0 Электроника 60М). Программная реализация управления заложена в микроЭВМ в виде рабочих программ и алгоритмов. Алгоритм функционирования микроЭВМ представлен на фиг.9.

5 Первая функция, выполняемая микро- ЭВМ, состоит в вычислении оптимальных значений частоты вращения йЛэпт , коэффициента избытка воздуха оьпт и угла опережения впрыска топлива Vonr соответственно по

0 оптимальным зависимостям: 1Трн), Оопт f (У ),v0nr f(u), записанным в блоке памяти. Вычисление проводится на основании информации о текущем значении мощности нагрузки (сигнал с датчика активной

5 мощности).

Вторая функция, выполняемая микро- ЭВМ, заключается в вычислении текущего значения коэффициента избытка воздуха ct(t) на основании информации о текущих значени0 ях давления наддуваемого воздуха, частоты вращения турбокомпрессора, частоты вращения вала двигателя, положения органа дозирования топливного насоса, положения органа регулирования давления наддува, давления и температуры окружающей среды. При этом используется статическая характеристика компрессора ль f(ftJk ,GK, оз) и скоростная характеристика топливного насоса дц f(h, ш), записанные в блоке памяти.

5

Алгоритм вычисления a. (t) представлен на фиг. 10.

Третья функция, реализуемая микро- ЭВМ, заключается в вычислении управляющих воздействий в виде сигналов ошибок по регулируемым координатам a),v,a . Сигналы ошибок определяют то рассогласование, которого достаточно для перевода установки в оптимальный режим работы после переходного процесса,

Таким образом, рабочая программа микроЭВМ представляет совокупность взаимосвязанных функциональных подпрограмм: подпрограмму вычисления оптимальных значений (t), vt а по текущей нагрузке; подпрограмму вычисления текущего значения a (t); подпрограмму вычисления управляющих воздействий в виде сигналов ошибок по (O,v,a .

Устройство работает следующим образом,

В установившемся режиме с выхода датчика 6 активной мощности (фиг.1) на шину входных данных 21 блока управления 7 и затем через входной преобразователь 24 в процессор 35 поступает сигнал, пропорциональный текущему значению активной мощности нагрузки. Процессор 35, обращаясь к блоку памяти 22, по оптимальной зависимости ЯРн) (фиг.2) вычисляет значение скорости вала двигателя 0)0т , соответствующее этой нагрузке. Далее процессор 35, обращаясь к блоку памяти 22, по оптимальным зависимостям угла опережения впрыска ОТ СКОРОСТИ Vom f(W) (фИГ.З) И

коэффициента избытка воздуха от скорости 2опт f( ш) (фиг.4) вычисляет значения V0m и «опт, соответствующие (Лот.

Сигналы ошибки в контурах управления скоростью, впрыском и наддувом вычисляются в результате сравнения в процессоре сигналов задающих воздействий, т.е. ofem . Vonr. (Хот, с текущими значениями ffl(t) v(t), a(t), которые формируются в цепях обратных связей этих контуров.

Сигнал, пропорциональный текущему значению скорости вращения вала co(t), передается с выхода датчика 5 частоты вращения вала на шину входных данных 21 блока управления 7 и затем через входной преобразователь 23 в процессор 35, где сравнивается С «опт

Сигнал, пропорциональный текущему значению угла опережения впрыска v(t), с выхода датчика 11 угла опережения впрыска топлива поступает на шину входных данных 21 блока управления 7 и затем через входной преобразователь 26 в процессор 35, где сравнивается с V0m

Сигналы ошибки Л а) иьпт - ft(t) и Av - v0m - v (t) через выходные преобразователи 32 и 33 подаются на входы соответствующих исполнительных механизмов 8 и

17, под действием которых орган дозирования 9 топливного насоса обеспечивает значение частоты, а орган регулирования 16 угла опережения впрыска топлива - значение угла опережения впрыска, близкие к

оптимальным для данного установившегося режима.

Для вычисления текущего значения коэффициента избытка воздуха a (t) используется информация, поступающая на шину

входных данных 21 с датчика 10 положения органа дозирования, датчика 12 частоты вращения турбокомпрессора, датчика 13 давления наддуваемого воздуха, датчиков 14 и 15 давления и температуры окружающей среды, датчика 20 положения органа регулирования давления наддува. Вычисление a (t) выполняется процессором 35 по программе, заложенной в блоке памяти 22. Алгоритм вычисления a (t) представлен на

фиг.10.

Вначале вычисляется параметр угловой скорости ротора турбокомпрессора согласно формуле

- ел ,

где То - температура окружающей среды;

- угловая скорость вращения вала турбокомпрессора и степень повышения давления в компрессоре по формуле

„ - РК

Лк--р-,

где Рк - давление наддува;

Ро - давление окружающей среды.

По статическрй характеристике комп-.

рессора лгк f ( УК, GK, OK ) , (фиг.бХ хранящейся в блоке памяти 22 с учетом ftfc , л и координаты органа регулирования давления наддува о , вычисляется параметр расхода воздуха через компрессор G. а затем - текущая производительность компрессора Gic(t) по формуле

е.(0-тЈ-&.

Далее по скоростной характеристике топливного насоса дц f (h,u ) (фиг.4), хранящейся в блоке памяти 22, с учетом текущих значений положения органа дозирования h (t), скорости ft) (t) и передаточного отношения Uo Шн/а вычисляется цикловая подача топлива дц, а затем определяется часовой расход топлива по формуле Gr(t) Ki дц ft) (t), где Ki - постоянный коэффициент, учитывающий количество цилиндров и тактность двигателя. Так как для

статических условий работы верно равенство GK(t) - Gg(t) 0, где Gg(t) - текущий расход воздуха через двигатель, то можно получить текущее значение коэффициента избытка воздуха по формуле

)-«.-ЈЈ}

где К2 - постоянный коэффициент, учитывающий теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива и условия продувки.

Сигнал ошибки Да Оопт - ct(t ) через выходной преобразователь 34 поступает на вход исполнительного механизма 19, под действием которого орган регулирования давления наддува занимает положение, обеспечивающее значение коэффициента избытка воздуха, близкое к оптимальному для данного установившегося режима.

При вычислении а (т) во всех режимах учитывается давление и температура окружающей среды, следовательно, они учитываются и в сигнале ошибки Да компенсирующем отклонения режима работы от близкого к оптимальному под воздействием этих параметров.

Таким образом, любые отклонения скорости вращения, угла опережения впрыска, коэффициента избытка воздуха по причинам изменения рабочих процессов в двигателе (температурный режим, пропуск вспышки в цилиндре и т.д.), а также перепадов давления и температуры окружающей среды в соответствующих замкнутых контурах будут компенсироваться управляющими воздействиями относительно оптимальных значений йЬпт, v0m, QW .

В режиме холостого хода, когда нагрузка отсутствует, дизель 1 работает на минимальной скорости шь, обеспечивающей устойчивый режим работы установки. Этот скоростной режим определяется значением функции «опт f(PfO при Рн 0 (фиг.2).

Значение угла опережения впрыска в этом режиме вычисляется по зависимости

Vom f( Ш) при ft Шо (фиг.З).

Величина коэффициента избытка воздуха «о определяется по зависимости оьпт (у)при ю оь (фиг.4).

Относительно ftfe, v0, Oo вычисляются сигналы ошибки, под воздействием которых органы регулирования займут соответствующие положения, обеспечивающие значения w(t), v(t) ,a (t), близкие к оптимальным Шо, V0, оь для режима холостого хода.

Таким образом, на холостом ходу установка будет работать на минимально устойчивой частоте при минимальных значениях угла опережения впрыска и коэффициента

избытка воздуха, обеспечивающих минимум расхода топлива и воздуха.

При набросе (сбросе) нагрузки РН1 в мо- мент времени ti выходной сигнал с датчика 6 активной мощности начинает изменяться. Следовательно, изменяются согласно зависимостям ftfcru f(PH), VonT f (W ),0bnr f((W )

оптимальные значения скорости ufem,, угла опережения впрыска v0mi и коэффициента избытка воздуха а опт i , вычисляемые процессором 35. На начальном участке времени переходного процесса скорость изменения напряжения и тока генератора значительно вы- ше скорости изменения текущих значений a#),v(t),a (t), так как постоянные времени генератора и нагрузки намного меньше постоянных времени дизеля с турбокомпрессором. Поэтому вначале переходного процесса сигналы ошибки

Au) ftJonT,-a(t), ,-v(t). &а 0ат,-а(.)

достигнут своих максимальных по модулю значений. Это приведет к перемещению исполнительных механизмов и связанных с ними соответствующих органов регулирования в положения, обеспечивающие приближение текущих значений ft(t),v (t),a (t) к оптимальным w0nri , V0nri . Qfonri , а сигналов ошибки к нулю. При этом изменятся крутящий момент и мощность на валу двигателя. Переходный процесс закончится при равенстве моментов сопротивления и крутящего, а также эффективной мощности на валу и активной мощности в нагрузке с учетом потерь в генераторе.

При этом РН1 будут соответствовать оптимальные Значения Ш0т . 1 onrl , П0т ,

Наличие в устройстве контуров управления скоростью, впрыском и наддувом с основными отрицательными обратными связями позволяет осуществить управление

двигателем по отклонению скорости вращения вала от оптимального значения для данной нагрузки, по отклонению угла опережения впрыска и коэффициента избытка воздуха от оптимальных значений для

выбранного скоростного режима. Кроме этого, в предлагаемой установке в замкнутом контуре управления наддувом учитываются текущие значения давления и температуры окружающей среды и предусматривается

компенсация их влияния на рабочий процесс в двигателе, что обеспечивает возможность его работы с неизменной мощностью до расчетных значений пониженного давления и повышенной температуры окружающей среды.

а следовательно, позволяет поддерживать высокие значения КПД.

Таким образом, в результате такого управления в предлагаемом устройстве выбираются более экономичные по сравнению с прототипом режимы работы.

Формула изобретения Автономная дизель-электрическая установка, содержащая дизель с турбокомпрессором и топливным насосом, электрический генератор с системами возбуждения и регулировки напряжения, кинематически связанный с валом отбора мощности дизеля, датчик частоты вращения коленчатого вала дизеля, датчик активной мощности, блок управления, вход которого связан с выходами датчиков, и исполнительный механизм, кинематически связанный с органом дозирования топливного насоса, а электрически - с выходом блока управления, отличающая с я тем, что, с целью повышения экономичности, установка снабжена датчиком положения органа дозирования, датчиком угла опережения впрыска топлива, датчиком частоты вращения турбокомпрессора, датчиком давления наддуваемого воздуха, датчиками давления и температуры окружающей среды, органом регулирования угла опережения впрыска топлива с исполнительным механизмом, органом регулирования давления наддува с исполнительным механизмом и датчиком положения органа регулирования давления наддува, блок управления выполнен в виде управляющей микроЭВМ с шиной входных данных, блоком памяти с записанными в нем подпрограммами оптимизации, входными преобразователями по числу датчиков, выходными преобразователями по числу исполнительных механизмов, а также с процессором, шина входных данных выполнена в виде входа блока управления, а каждый выходной преобразователь выходом связан с входом соответствующего исполнительного механизма, причем выходы выходных преобразователей выполнены в виде выхода блока управления.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в автономных электроагрегатах с приводными тепловыми двигателями, работающими при переменной частоте вращения. Цель изобретения - повышение экономичности. В устройство введены элементы, формирующие замкнутые контуры регулирования скоростью, впрыском и наддувом по оптимальным зависимостям от нагрузки генератора. При этом учитывается и компенсируется влияние давления и температуры окружающей среды на рабочие процессы в двигателе до расчетных значений пониженного давления и повышенной температуры. Такое комплексное многомерное регулирование обеспечивает выбор более экономичных режимов работы. 10 ил.

ff

сллллллл.

г

SS

DnnCZJC

/

ww

ерие /

л

/з

f4

/Ј го

cpue. 2

|

(Уо

000 &om

Фиг.З

Сип

фиеЛ

О)

.25ЭГ

9«

Фиг. 6

/

ш

у j-

l

и,

Ар

фиг.7

AV5

&н

W)

Вб{Числеме/& arrc/ r A&#o/x 3Mave/stj s

, , ЗЛо4/Ј:е лгЈ7 /77сгм:

«brr-sc ;,

-/().

f (±)

cJ

oar

P/TT

&tifVtS&7ff/T t/ s cae/fa/raE1 e it/t/ Ј r

ь -cJ - o);, &() .()

Ф«г 9

1698468

ОД

Фиг-в

«№)

ь®№Ш)ь&%щЩ

v Г

L

jSa/vvc/rejv&e яг&гущего iSrt&ye/fbJl х& ф срщг/е///77а И3 5а//77л-сг Ј&3Ј7&лга

C)

()

&0ЛсС

ТоМ

М №)®

М Р°Щ

St /wc/7effue /га/хзме/ттр0Ј

%

&к.

6)

У/Г

б)«

РО

о).

X

&aivvcrfe#t/e /гараме/л/хг G crt7 z/m/vec/(0(j xa/ ax/rre- 0ts&77t/xe Холг/г/э&сса/эа.:

&«-/&, с,ск)

1

±

B&Wt/c/jewe 7 /x t/3&7J s/77 x b rtocsryts /ггф Зсжам/гресс&ра :

ям-д&МVuv

G&

ле/ асреЈс:/т}Ёе#/у0е eewe/e/res/cfe cxf (&) ,,,, K &(t)

(6)

() |

Фиг. 7U

W) M

LJ1

Gb/wc/гемие /tavew/ft а„

/Т0СХЦООС/Г7 /ятсе Хсгрег/улерг/сгс/Л & 7J70/r/ri/O#OiЈO S aссса я , . ,J)

1

&г/у хс#е/г &е t/tzco&reo /эасхоЗа.

t rr70S /7tsЈa.

4г-,-ду-ь С.)

0rfi)