CN105443252B - 一种无级自由调速柴油发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无级自由调速柴油发动机，包括柴油发动机、控制系统；控制系统包括转速传感器、可编程控制器、电子调速器和油门执行器；油门执行器为柴油发动机的机械调速器，其调速手柄位于额定转速位置且固定不动，其断油电磁阀为比例式电磁阀，其停车手柄位于停车位置时电子调速器恰好位于零位。本发明采用了三闭环恒转速控制方案及电子油门驱动机构，实现了柴油发动机的恒转速、恒压力和恒流量三种工况稳定工作模式，扩宽了柴油发动机的工作范围和工作状态。

Description

一种无级自由调速柴油发动机

技术领域

本发明涉及一种无级自由调速柴油发动机。

背景技术

离心泵在是人类使用最广泛的一种机械，在航空航天、军事作战、航海工程、石化及给排水等各个方面都有很广泛的应用。离心泵一般由柴油发动机提供动力。离心泵是利用叶轮旋转而使得水发生离心运动来工作的，其工作原理为：当液体通过叶轮进入壳体以后，由于蜗形壳体的流道逐渐扩大，液体的流速逐渐随着降小，部分动能转化为静压能，于是液体以较高的压强排出壳体，与此同时叶轮中心由于液体甩出而形成真空，而液面处的压强比进口高，于是液体在大气压下连续不断进入叶轮，再不断地排出。

普通离心泵，若吸入液面在叶轮之下，启动时应该预先灌水，很不方便。同时，为了在泵内存住液体，吸入管进口需要预先安装底阀，泵在工作时底阀造成很大的水力损失。

高原情况下，大气压力减小，然而离心泵的进口压力减小容易导致泵的汽蚀现象发生，对泵造成损伤。所以高原工况对离心泵的运行要求很苛刻，能在高原实现离心泵不汽蚀是保证离心泵能长期稳定运行的关键。

转速是离心泵的核心工作参数。泵在每一个工况下运行时，柴油发动机都会有一个转速与之相匹配，只要转速确定，离心泵的其他工作参数就会确定，这样离心泵可以更高效的工作。但是当外负载发生变化时，柴油发动机的输出扭矩会发生变化，转速也相应地发生变化，会引起柴油发动机出现失速、闷车和耗油增加的情况，并且柴油发动机的转速直接决定着离心泵能否在要求的转速点正常工作。因此，保持柴油发动机转速的稳定性是非常重要的。当工况发生变化，需要改变系统工作性能参数时，就需要改变其工作转速，然而普通柴油发动机的转速出厂前是设定好的，依靠调节油门开度调节柴油发动机转速，有三个标定转速，启动怠速、额定工作转速、最高转速，它的转速变化是跳跃式的，中间状态不稳定，对设备的冲击较大，但是这个调节过程不稳定且无法精确的调节转速变化，除了这三个工作转速外无法控制其他转速，也不能实现无级调速，因而为了保证离心泵的多工况运行，就必须设计柴油发动机无级自由调速模块，这也是需要攻克的难点及关键点。

参见图2，柴油发动机原有调速原理是根据调速手柄位置不同来调节调速弹簧回复力的大小并有不同的飞锤离心力与其达到平衡的原理实现控制转速；当调速手柄往调速弹簧预紧力加大方向转动时，齿条往大油量方向移动，油量增加，转速上升，飞锤的离心力随之增加，当离心力与调速弹簧拉力平衡时，柴油发动机转速稳定在目标转速，当调速弹簧预紧力变小时，柴油发动机转速下降可在目标转速附近，离心力与调速弹簧拉力平衡；从而达到调速的目的。

停油电磁铁有两个位置，吸合和自由状态，当通电时，电磁铁吸合，电磁铁导杆与停车手柄脱离，不影响调速器的工作，当断电时，电磁铁导杆在其内部弹簧力作用下伸出，作用在停车手柄上，将停车手柄推到停车位置，即可使油泵断油，柴油发动机停止运转。

因此，柴油发动机原有的调节过程不稳定且无法精确的调节转速变化，不能实现无级调速。

发明内容

本发明目的是提供一种无级自由调速柴油发动机，可满足所配合使用的离心泵实现恒转速、恒压力、恒流量三种工作模式的要求。

本发明的技术解决方案是：

一种无级自由调速柴油发动机，包括柴油发动机、控制系统；所述柴油发动机包括油泵；其特殊之处是，所述控制系统包括转速传感器、可编程控制器、电子调速器和油门执行器；所述油门执行器为柴油发动机的机械调速器，并且，所述机械调速器的调速手柄位于额定转速位置且固定不动，所述机械调速器的断油电磁阀为比例式电磁阀，所述机械调速器的停车手柄位于停车位置时所述电子调速器恰好位于零位；所述转速传感器从柴油发动机采集转速信号并送入可编程控制器；所述可编程控制器根据转速信号输出转速调节信号；所述电子调速器将转速调节信号转换成与转速调节信号成比例的电流信号并送入油门执行器的比例式电磁阀。

上述控制系统还包括入口压力变送器、出口压力变送器、1#过滤出口压力变送器、2#过滤出口压力变送器、1#流量计和2#流量计；所述入口压力变送器和出口压力变送器分别安装在离心泵的入水口处和出水口处；所述1#过滤出口压力变送器、1#流量计、2#过滤出口压力变送器和2#流量计分别安装在柴油机的1#过滤器和2#过滤器的出口处；所述入口压力变送器、出口压力变送器、1#过滤出口压力变送器、2#过滤出口压力变送器、1#流量计和2#流量计输出的压力信号和流量信号分别送入可编程控制器。

上述可编程控制器可根据转速信号通过PID控制算法输出转速调节信号；

上述可编程控制器还可根据转速信号、压力信号和流量信号通过PID控制算法分别输出转速调节信号、压力调节信号和流量调节信号；

所述PID控制算法表达式为：

式中：MV是输出值；K_P是比例增益；E(t)是偏差值；E(t)＝SV-PV；PV是测定值；SV是目标值；K_D是微分增益；PV(t)S是PV(t)的微分值；K_I是积分增益；是E(t)的积分值。

本发明的优点：

1、本发明无级自由调速柴油发动机，可带动离心泵，用来输送水或者油等介质，不受电力、高原工况等限制，可以广泛用于军事作战、野外活动等，大大提高了野外活动的机动性。

2、本发明无级自由调速柴油发动机采用了电子油门驱动机构，由于驱动机构由电信号控制，控制信号可以由手动旋钮或者触摸屏转速设定两种方式输入，输入的控制信号使驱动机构运动，使得柴油发动机油门开度发生变化，从而通过控制柴油发动机燃油输送油量控制控制柴油发动机转速，使其能够在怠速与最高转速之间无级调节，可实现恒压供油。为了使柴油发动机在任意转速能够稳定运行，本发明控制系统的电子调速器为内环控制，内环控制又分为电流控制环和转速控制环，可对转速粗调，使转速稳定在一个范围内；车载控制器为外环控制，可对转速细调，使转速稳定在设定值上。因此，在每个工况下无论负载怎样变化，都能保证柴油发动机的转速恒定，可以使柴油发动机稳定运行在1100～3600转/分的任何一个转速点上，这样就实现了柴油发动机的转速准确、稳定、连续的无级调速功能，解决了柴油发动机转速跳跃式变化、中间状态不稳定的，对设备冲击较大的问题。该系统可以实现，

3、由于离心泵的一个额定工作转速对应该泵组的一组额定工作压力和流量。本发明在电子无级调速的基础上，采用了三闭环恒转速控制方案，由转速传感器、可编程控制器、电子调速器、油门执行器等组成，通过精准的连续的调节转速以及压力传感器和流量传感器的反馈信号，实现了泵组的恒转速、恒压力和恒流量三种工况稳定工作模式，扩宽了泵组的工作范围和工作状态。

4、本发明柴油发动机所配合的离心泵采用自吸离心泵结构，壳体设计有S型的进水弯管，同时设计有储液室。这样就可以在本次输送完介质以后可以在泵中储藏一部分介质，使得下次启动时无需倒灌，无需底阀，更加快速的吸上介质，经短时间泵的运转就可以吸上液体正常工作，实现泵组的自吸要求，增加野外活动的便捷性。壳体还设计有气液分离室和液体回流孔，在泵启动以后，由于叶轮的旋转作用，吸入管路的空气和液体充分混合，并被排到气液分离室，气液分离室上部的气体排出，下部的液体通过回流孔重新回到叶轮，和吸入管路的气体混合，直到把吸入管路和泵中的气体完全排出完成自吸，正常工作。

5、本发明可监测柴油发动机工作(如机油压力、机油温度、柴油发动机工作转速、供油油箱油位、泵组出入口压力、泵组工作流量)及系统工作(如储液罐介质储量、过滤器工作状态、介质使用量等)参数性能。对系统中柴油发动机超速、飞车、机油欠缺、机油温度过高、储罐液位过高/低、过滤器堵塞等故障报警和保护，并将各类控制参数、报警信号通过总线输出，以便于中央控制室远传集中控制。

附图说明

图1是本发明柴油发动机及相应的离心泵的结构示意图；

图2是现有柴油发动机机械式油门控制系统结构示意图；

图3是本发明柴油发动机的无级自由调速式油门控制系统结构示意图；

图4是本发明柴油发动机的无级电子调速系统原理框图；

图5是本发明柴油发动机的转速控制系统原理；

图6是本发明柴油发动机的控制系统流程图。

其中：1-自吸离心泵，100-入水口，101-壳体，102-诱导轮，103-锁紧螺母，104-叶轮，105-机械密封，106-主轴，107-托架，108-S型进水弯道，109-液体回流孔，110-储液室，111-出水口，112-气液分离室，2-柴油发动机，20-机械调速器，22-油泵，201-调速手柄，202-断油电磁铁，203-飞锤，204-滑套，205-停车手柄，206-调速弹簧，207-加力杆，208-停车位置，209-齿条，4-整体底座；

具体实施方法

参见图1，本发明柴油发动机所配合使用的离心泵的壳体101内装有诱导轮102、叶轮104、机械密封105；流体由壳体101的入水口100进入后依次通过诱导轮102、叶轮104，再由壳体的出水口111流出；诱导轮102及叶轮104与主轴通过键传动；主轴106的一端为动力输入端，通过延长轴结构用连接螺钉抱紧在柴油发动机曲轴上；主轴另一端依次与诱导轮102、叶轮104、机械密封105固定连接，诱导轮位于叶轮的前端。主轴另一端的端部设置有轴头锁紧螺母103，轴头锁紧螺母用于对诱导轮和叶轮进行轴向固定。安装时，叶轮位置在壳体的出水流道里，其作用是把经过叶轮作用的介质通过壳体流道有压排出；诱导轮位置在壳体S型进水弯管里，可以让介质在受叶轮作用之前就经过诱导轮的作用，提高抗汽蚀性能。考虑到介质泄露，在主轴上位于叶轮之后安装机械密封。壳体和柴油发动机之间用托架固定在一起，保证机组的运转稳定性。机组有便于移动的整体底座4，自吸离心泵和柴油发动机整体安装在底座上。

如图3所示，将机械调速器20的停车手柄205扳到停车位置208，在此位置与电子调速器的零位连接。调速手柄201应扳到额定转速位置，并固定起来。连接后，要保证连接杆运动灵活，固定可靠。再用比例电磁铁代替原来的断油电磁阀。比例电磁铁的功能是将比例控制放大器输出的电信号转换成力或位移。比例电磁铁推力大，结构简单，对油液清洁度要求不高，维护方便，成本低，衔铁腔可做成耐高压结构，是电液比例控制元件中广泛应用的电-机械转换器件。

控制系统包括可编程控制器、触摸屏、柴油发动机电子调速器、油门执行器，必要时还可包括入口压力变送器、出口压力变送器、1#过滤出口压力变送器、2#过滤出口压力变送器、环境温度变送器、油箱液位计、油温油压变送器、1#流量计、2#流量计、1#转速传感器、2#转速传感器和储油罐液位计。图4所示是由电瓶、柴油发动机、执行器、电子调速器、可编程控制器、触摸屏、泵组、各种传感器及控制线路组成的控制系统。

可编程控制器、触摸屏和柴油发动机电子调速器安装在控制系统上。油门执行器、油温油压变送器、环境温度变送器、1#转速传感器和2#转速传感器安装在柴油发动机上。

入口压力变送器和出口压力变送器分别安装在离心泵的入水口处和出水口处；1#过滤出口压力变送器、1#流量计、2#过滤出口压力变送器和2#流量计分别安装在柴油机的1#过滤器和2#过滤器的出口处；入口压力变送器、出口压力变送器、1#过滤出口压力变送器、2#过滤出口压力变送器、1#流量计和2#流量计的输出信号送入可编程控制器。

油箱液位计安装在柴油发动机的油箱上。储油罐液位计安装在油罐上。

油门执行器的主要功能是将转速控制器输出的位置信号转换成指定的直线位移位置以控制燃油供给量。油门执行器的输入是电信号，输出是机械直线运动。机械直线运动与输入成比例关系。油门执行器具有控制性能优良、体积小、可靠性高且与油泵一体式安装，密封性能好等特点，可提高柴油发动机的调速指标及实现柴油发动机的自动化控制和保护。油门执行器顶端设计有手动调节装置，特殊情况下能够实现手动调节供油量的功能。

本发明工作原理：

柴油发动机转速控制系统原理如图5所示，转速传感器从柴油发动机采集转速信号，经过相应的转换电路转换成方波信号，通过测量脉冲数计算出转速PV，送入可编程控制器，当测定值PV与目标设定值SV不相等时，产生偏差信号E(t)＝SV-PV，该控制器内预置的PID控制算法对偏差信号进行运算，并输出相应的调节信号MV，调节信号经电子调速器驱动油门执行器输出与调节信号成比例的电流信号，调节柴油发动机的转速，使偏差趋近于零，让柴油发动机保持恒速运行。

当外界负荷突然增大时，系统控制油门执行器增加开度，以避免柴油转速突然降低甚至熄火的现象；当外界负荷突然减小时，系统控制油门执行器减小开度，以避免柴油发动机转速突然升高甚至飞车的现象。

PID控制算法基本表达式为：

式中：MV是输出值；K_P是比例增益；E(t)是偏差值；E(t)＝SV-PV；PV是测定值；SV是目标值；K_D是微分增益；PV(t)S是PV(t)的微分值；K_I是积分增益；是E(t)的积分值。

由于离心泵的一个额定工作转速，对应该离心泵的一组额定工作压力和流量。本发明又在该控制方案的基础上，通过压力传感器(入口压力变送器、出口压力变送器、1#过滤出口压力变送器、2#过滤出口压力变送器)和流量传感器(1#流量计和2#流量计)的反馈信号，实现了恒压控制和恒流量控制。该控制系统的流程图如图6所示。

Claims (4)

1.一种无级自由调速柴油发动机，包括柴油发动机(2)、控制系统；所述柴油发动机包括油泵(22)；其特征在于：所述控制系统包括转速传感器、可编程控制器、电子调速器和油门执行器；所述油门执行器为柴油发动机的机械调速器(20)，并且，所述机械调速器(20)的调速手柄(201)位于额定转速位置且固定不动，所述机械调速器(20)的断油电磁阀(202)为比例式电磁阀，所述机械调速器(20)的停车手柄(205)位于停车位置(208)时所述电子调速器恰好位于零位；所述转速传感器从柴油发动机采集转速信号并送入可编程控制器；所述可编程控制器根据转速信号输出转速调节信号；所述电子调速器将转速调节信号转换成与转速调节信号成比例的电流信号并送入油门执行器的比例式电磁阀。

2.根据权利要求1所述无级自由调速柴油发动机，其特征在于：所述可编程控制器是根据转速信号通过PID控制算法输出转速调节信号；所述PID控制算法表达式为：

式中：

MV是输出值；

K_P是比例增益；

E(t)是偏差值；

E(t)＝SV-PV；

PV是测定值；

SV是目标值；

K_D是微分增益；

PV(t)S是PV(t)的微分值；

K_I是积分增益；

是E(t)的积分值。

3.根据权利要求1所述无级自由调速柴油发动机，其特征在于：

所述控制系统还包括入口压力变送器、出口压力变送器、1#过滤出口压力变送器、2#过滤出口压力变送器、1#流量计和2#流量计；

所述入口压力变送器和出口压力变送器分别安装在离心泵的入水口处和出水口处；所述1#过滤出口压力变送器、1#流量计、2#过滤出口压力变送器和2#流量计分别安装在柴油机的1#过滤器和2#过滤器的出口处；

所述入口压力变送器、出口压力变送器、1#过滤出口压力变送器、2#过滤出口压力变送器、1#流量计和2#流量计输出的压力信号和流量信号分别送入可编程控制器。

4.根据权利要求3所述无级自由调速柴油发动机，其特征在于：

所述可编程控制器是根据转速信号、压力信号和流量信号通过PID控制算法分别输出转速调节信号、压力调节信号和流量调节信号；

所述PID控制算法表达式为：

式中：

MV是输出值；

K_P是比例增益；

E(t)是偏差值；

E(t)＝SV-PV；

PV是测定值；

SV是目标值；

K_D是微分增益；

PV(t)S是PV(t)的微分值；

K_I是积分增益；

是E(t)的积分值。