SU1698468A1

SU1698468A1 - Автономна дизель-электрическа установка

Info

Publication number: SU1698468A1
Application number: SU894695803A
Authority: SU
Inventors: Николай Валерьевич Руденко; Валерий Юрьевич Гречуха; Валерий Васильевич Ершов; Александр Викторович Коренев
Original assignee: Ростовское Высшее Военное Командно-Инженерное Училище Им.Неделина М.И.
Priority date: 1989-05-25
Filing date: 1989-05-25
Publication date: 1991-12-15

Abstract

Изобретение относитс к энергетике и может быть использовано в автономных электроагрегатах с приводными тепловыми двигател ми, работающими при переменной частоте вращени . Цель изобретени - повышение экономичности. В устройство введены элементы, формирующие замкнутые контуры регулировани скоростью, впрыском и наддувом по оптимальным зависимост м от нагрузки генератора. При этом учитываетс и компенсируетс вли ние давлени и температуры окружающей среды на рабочие процессы в двигателе до расчетных значений пониженного давлени и повышенной температуры. Такое комплексное многомерное регулирование обеспечивает выбор более экономичных режимов работы. 10 ил.

Description

Изобретение относитс к энергетике и может быть использовано в автономных электроагрегатах с приводными тепловыми двигател ми, работающими при переменной частоте вращени .

Известна электроэнергетическа установка , содержаща двигатель внутреннего сгорани и асинхронизированный синхронный генератор.

Недостатком этой установки вл етс низка стабильность частоты вращени в режимах посто нных нагрузок, что обусловливает перерасход топлива.

Известна электроэнергетическа установка , состо ща из дизельного двигател , асинхронизированного синхронного генератора , в которой частота вращени вала регулируетс в функции от нагрузки

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

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству вл етс система регулировани топливоподачи двигател внутреннего сгорани транспортной энергетической установки.

Недостатком этой системы вл етс низка экономичность, что приводит к перерасходу топлива.

Низка экономичность прототипа обусловлена тем, что при управлении процессами преобразовани энергии с целью обеспечени минимума расхода топлива отсутствует комплексное многомерное регулирование с отрицательными обратными св з ми по углу опережени впрыска, частоте вращени и коэффициенту избытка воздуха дизел в зависимости от нагрузочных режимов.

Целью изобретени вл етс повышение экономичности.

Указанна цель достигаетс 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 возбуждени и регулировани напр жени , кинематически св занный с валом отбора мощности дизел , датчик частоты вращени коленчатого вала дизел , датчик активной мощности, блок управлени , вход которого св зан с выходами датчиков , и исполнительный механизм, кинематически св занный с органом дозировани топливного насоса, а электрически - с входом блока управлени , дополнительно введены датчик положени органа дозировани , датчик угла опережени впрыска топлива, датчик частоты вращени турбокомпрессора , датчик давлени нэддуваемо- го воздуха, датчики давлени и температуры окружающей среды, орган регулировани угла опережени впрыска топлива с исполнительным механизмом, орган регулировани давлени наддува с исполнительным механизмом и датчик положени органа регулировани давлени наддува, блок управлени выполнен в виде управл ющей микроЭВМ с шиной входных данных, блоком пам ти с записанными в нем подпрограммами оптимизаци , входными преобразовател ми по числу датчиков, выходными преобразовател ми по числу исполнительных механизмов, а также с процессором, шина входных данных выполнена в виде входа.блока управлени , а каждый из выходных преобразователей своим выходом св зан со входом соответствующего исполнительного механизма, причем выходы выходных преобразователей выполнены в виде выхода блока управлени .

Введение блока управлени в виде управл ющей микроЭВМ с блоком пам ти и подключение через входной преобразователь к входу блока управлени датчика активной мощности позвол ет по текущему значению нагрузки PH{t) на основе заложенных в блоке пам ти оптимальных зависимостей скорости от нагрузки Ohm т{Рн), угла опережени впрыска от скорости v0m - f(ft) и коэффициента избытка воздуха от скорости Ооггг f(ft) вычислить оптимальные значени

йЪпт , опт 1 (Хот

Подключение выхода датчика частоты вращени через входной преобразователь к входу блока управлени , а выхода последнего через выходной преобразователь к исполнительному механизму, кинематически св занному с органом дозировани топливного насоса, делает контур управлени скоростью замкнутым. Введение органа регулировани угла опережени впрыска топлива с исполнительным механизмом, подключение входа последнего через выходной преобразователь к выходу блока управлени позвол ет сформировать контур управлени впрыском. Подключение датчика угла опережени впрыска топлива через входной преобразователь к блоку управлени делает контур управлени впрыском замкнутым. Введе0 ние органа регулировани давлени наддува с исполнительным механизмом, подключение входа последнего через выходной преобразователь к выходу блока управлени позвол ет сформировать контур

5 управлени наддувом двигател . Подключение датчика положени органа дозировани , датчика положени органа регулировани давлени наддува, датчика частоты вращени турбокомпрессора, дат0 чика давлени наддува, датчиков давлени и температуры окружающей среды через входные преобразователи к входам блока уп - равлени позвол ет образовать отрицательную обратную св зь в контуре

5 управлени наддувом двигател .

Блок управлени по статической характеристике компрессора Лк f(Wk Gk. с&), скоростной характеристике топливного насоса дц f(h, ft ) и программе вычисле0 нм текущего значени коэффициента избытка воздуха a (t), заложенных в блоке пам ти, с учетом текущих значений давлени м температуры окружающей среды вычисл ет a (t).

5 Регулирование в контурах управлени скоростью, впрыском и наддувом осуществл етс по отклонени м, которые вычисл ютс в блоке управлени 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 управлени скоростью, впрыском и наддувом, регулирование относительно оптимального дл данной нагрузки значени скорости, оптимальных дл данной оптимальной скорости угла опережеQ ни впрыска и коэффициента избытка воздуха, а также учет атмосферного давлени и температуры окружающей среды позвол ет в отличии от прототипа выбрать наиболее экономичный режим преобразовани энергии топлива, а следовательно, повысить экономичность установки.

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

5

расхода топлива зависимости частоты вращени вала двигател от нагрузки i(, гла опережени впрыска от частоты V0m f(ft)), коэффициента избытка воздуха от частоты опт flw); на фиг.5 - статическа характеритика компрессора тгк f((uk, Gk, «k); на фиг.6 - коростна характеристика топливного насоса ц f(h, а) ); на фиг.7 - вариант конструкции органа регулировани угла опережени впрыска топлива с исполнительным механизмом; на фиг.8 - вариант конструкции органа регулировани давлени наддува с исполнительным механизмом; на фиг.9 - алгоритм функционировани блока управлени ; на фиг,10 - алгоритм вычислени екущих значений коэффициента избытка воздуха.

Автономна дизель-электрическа установка содержит дизель 1 (фиг. 1) с турбокомпрессором 2 и топливным насосом 3, электрический генератор 4 с системами возбуждени и регулировки напр жени , кинематически св занный с валом отбора мощности дизел 1, датчик 5 частоты вращени коленчатого вала дизел 1, датчик 6 активной мощности, блок управлени 7, вход которого св зан с выходами датчиков, и исполнительный механизм 8, кинематически св занный с органом дозировани 9 топливного насоса 3, а электрически - с выходом блока управлени 7.

Установка также снабжена датчиком 10 положени органа дозировани , датчиком 11 угла опережени впрыска топлива, дат- чиком 12 частоты-вращени турбокомпрессора , датчиком 13 давлени наддуваемого воздуха, датчиком 14 и 15 давлени и температуры окружающей среды, органом регулировани 16 угла опережени впрыска топлива с исполнительным механизмом 17, органом регулировани 18 давлени наддува с исполнительным механизмом 19 и датчиком 20 положени органа регулировани давлением наддува, блок управлени 7 выполнен в виде управл ющей микроЭВМ с шиной 21 входных данных, блоком пам ти 22 с записанными в нем подпрограммами оптимизации, входными преобразовател ми 23-31 по числу датчиков, выходными преобразовател ми 32-34 по числу исполнительных механизмов, а также с процессором 35, шина 21 входных данных выполнена в виде входа блика управлени 7, а каждый из выходных преобразователей 32- 34 своим выходом св зан со входом соответствующего исполнительного механизма, причем выходы выходных преобразователей 32-34 выполнены в виде выхода блока управлени 7.

Исполнительный механизм 17 и орган регулировани 16 (фиг.1) угла опережени впрыска топлива представл ют собой катушку с обмоткой 1 (фиг.7), внутри которой

расположен стержневой посто нный магнит 2, поджатый пружинами, к магниту прикреплен шток 3, кинематически св занный с рычагом регулировани угла опережени впрыска 4 муфты регулировани угла опере0 жени впрыска 5.

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

5 которой расположен стержневой посто нный магнит 2. поджатый пружинами. К магниту прикреплен шток 3, кинематически св занный со штоком золотника 4 и гидравлического серводвигател 5. Поршень серводвигател 5

0 кинематически св зан с диффузором компрессора 6 и датчиком положени органа регулировани давлени наддува 7.

Датчики давлени наддуваемого воздуха 13, давлени 14 и температуры 15 окру5 жающей среды представл ют собой известные преобразователи давлени и температуры в электрический сигнал.

Блок управлени 7 выполнен на базе управл ющей микроЭВМ (например типа

0 Электроника 60М). Программна реализаци управлени заложена в микроЭВМ в виде рабочих программ и алгоритмов. Алгоритм функционировани микроЭВМ представлен на фиг.9.

5 Перва функци , выполн ема микро- ЭВМ, состоит в вычислении оптимальных значений частоты вращени йЛэпт , коэффициента избытка воздуха оьпт и угла опережени впрыска топлива Vonr соответственно по

0 оптимальным зависимост м: 1Трн), Оопт f (У ),v0nr f(u), записанным в блоке пам ти. Вычисление проводитс на основании информации о текущем значении мощности нагрузки (сигнал с датчика активной

5 мощности).

Втора функци , выполн ема микро- ЭВМ, заключаетс в вычислении текущего значени коэффициента избытка воздуха ct(t) на основании информации о текущих значени0 х давлени наддуваемого воздуха, частоты вращени турбокомпрессора, частоты вращени вала двигател , положени органа дозировани топливного насоса, положени органа регулировани давлени наддува, давлени и температуры окружающей среды . При этом используетс статическа характеристика компрессора ль f(ftJk ,GK, оз) и скоростна характеристика топливного насоса дц f(h, ш), записанные в блоке пам ти.

5

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

Треть функци , реализуема микро- ЭВМ, заключаетс в вычислении управл ющих воздействий в виде сигналов ошибок по регулируемым координатам a),v,a . Сигналы ошибок определ ют то рассогласование, которого достаточно дл перевода установки в оптимальный режим работы после переходного процесса,

Таким образом, рабоча программа микроЭВМ представл ет совокупность взаимосв занных функциональных подпрограмм: подпрограмму вычислени оптимальных значений (t), vt а по текущей нагрузке; подпрограмму вычислени текущего значени a (t); подпрограмму вычислени управл ющих воздействий в виде сигналов ошибок по (O,v,a .

Устройство работает следующим образом ,

В установившемс режиме с выхода датчика 6 активной мощности (фиг.1) на шину входных данных 21 блока управлени 7 и затем через входной преобразователь 24 в процессор 35 поступает сигнал, пропорциональный текущему значению активной мощности нагрузки. Процессор 35, обраща сь к блоку пам ти 22, по оптимальной зависимости ЯРн) (фиг.2) вычисл ет значение скорости вала двигател 0)0т , соответствующее этой нагрузке. Далее процессор 35, обраща сь к блоку пам ти 22, по оптимальным зависимост м угла опережени впрыска ОТ СКОРОСТИ Vom f(W) (фИГ.З) И

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

Сигналы ошибки в контурах управлени скоростью, впрыском и наддувом вычисл ютс в результате сравнени в процессоре сигналов задающих воздействий, т.е. ofem . Vonr. (Хот, с текущими значени ми ffl(t) v(t), a(t), которые формируютс в цеп х обратных св зей этих контуров.

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

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

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

17, под действием которых орган дозировани 9 топливного насоса обеспечивает значение частоты, а орган регулировани 16 угла опережени впрыска топлива - значение угла опережени впрыска, близкие к

оптимальным дл данного установившегос режима.

Дл вычислени текущего значени коэффициента избытка воздуха a (t) используетс информаци , поступающа на шину

входных данных 21 с датчика 10 положени органа дозировани , датчика 12 частоты вращени турбокомпрессора, датчика 13 давлени наддуваемого воздуха, датчиков 14 и 15 давлени и температуры окружающей среды, датчика 20 положени органа регулировани давлени наддува. Вычисление a (t) выполн етс процессором 35 по программе, заложенной в блоке пам ти 22. Алгоритм вычислени a (t) представлен на

фиг.10.

Вначале вычисл етс параметр угловой скорости ротора турбокомпрессора согласно формуле

- ел ,

где То - температура окружающей среды;

- углова скорость вращени вала турбокомпрессора и степень повышени давлени 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 хран щейс в блоке пам ти 22 с учетом ftfc , л и координаты органа регулировани давлени наддува о , вычисл етс параметр расхода воздуха через компрессор G. а затем - текуща производительность компрессора Gic(t) по формуле

е.(0-тЈ-&.

Далее по скоростной характеристике топливного насоса дц f (h,u ) (фиг.4), хран щейс в блоке пам ти 22, с учетом текущих значений положени органа дозировани h (t), скорости ft) (t) и передаточного отношени Uo Шн/а вычисл етс циклова подача топлива дц, а затем определ етс часовой расход топлива по формуле Gr(t) Ki дц ft) (t), где Ki - посто нный коэффициент, учитывающий количество цилиндров и тактность двигател . Так как дл

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 - посто нный коэффициент, учитывающий теоретически необходимое количество воздуха дл сгорани 1 кг топлива и услови продувки.

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

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

Таким образом, любые отклонени скорости вращени , угла опережени впрыска, коэффициента избытка воздуха по причинам изменени рабочих процессов в двигателе (температурный режим, пропуск вспышки в цилиндре и т.д.), а также перепадов давлени и температуры окружающей среды в соответствующих замкнутых контурах будут компенсироватьс управл ющими воздействи ми 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 определ етс значением функции «опт f(PfO при Рн 0 (фиг.2).

Значение угла опережени впрыска в этом режиме вычисл етс по зависимости

Vom f( Ш) при ft Шо (фиг.З).

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

Относительно ftfe, v0, Oo вычисл ютс сигналы ошибки, под воздействием которых органы регулировани займут соответствующие положени , обеспечивающие значени w(t), v(t) ,a (t), близкие к оптимальным Шо, V0, оь дл режима холостого хода.

Таким образом, на холостом ходу установка будет работать на минимально устойчивой частоте при минимальных значени х угла опережени 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 измен тьс . Следовательно , измен ютс согласно зависимост м ftfcru f(PH), VonT f (W ),0bnr f((W )

оптимальные значени скорости ufem,, угла опережени впрыска v0mi и коэффициента избытка воздуха а опт i , вычисл емые процессором 35. На начальном участке времени переходного процесса скорость изменени напр жени и тока генератора значительно вы- ше скорости изменени текущих значений a#),v(t),a (t), так как посто нные времени генератора и нагрузки намного меньше посто нных времени дизел 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 св занных с ними соответствующих органов регулировани в положени , обеспечивающие приближение текущих значений ft(t),v (t),a (t) к оптимальным w0nri , V0nri . Qfonri , а сигналов ошибки к нулю. При этом измен тс крут щий момент и мощность на валу двигател . Переходный процесс закончитс при равенстве моментов сопротивлени и крут щего, а также эффективной мощности на валу и активной мощности в нагрузке с учетом потерь в генераторе.

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

Наличие в устройстве контуров управлени скоростью, впрыском и наддувом с основными отрицательными обратными св з ми позвол ет осуществить управление

двигателем по отклонению скорости вращени вала от оптимального значени дл данной нагрузки, по отклонению угла опережени впрыска и коэффициента избытка воздуха от оптимальных значений дл

выбранного скоростного режима. Кроме этого , в предлагаемой установке в замкнутом контуре управлени наддувом учитываютс текущие значени давлени и температуры окружающей среды и предусматриваетс

компенсаци их вли ни на рабочий процесс в двигателе, что обеспечивает возможность его работы с неизменной мощностью до расчетных значений пониженного давлени и повышенной температуры окружающей среды.

а следовательно, позвол ет поддерживать высокие значени КПД.

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

Claims

Формула изобретени Автономна дизель-электрическа установка , содержаща дизель с турбокомпрессором и топливным насосом, электрический генератор с системами возбуждени и регулировки напр жени , кинематически св занный с валом отбора мощности дизел , датчик частоты вращени коленчатого вала дизел , датчик активной мощности, блок управлени , вход которого св зан с выходами датчиков, и исполнительный механизм, кинематически св занный с органом дозировани топливного насоса, а электрически - с выходом блока управлени , отличающа с тем, что, с целью повышени экономичности , установка снабжена датчиком положени органа дозировани , датчиком угла опережени впрыска топлива, датчиком частоты вращени турбокомпрессора, датчиком давлени наддуваемого воздуха, датчиками давлени и температуры окружающей среды, органом регулировани угла опережени впрыска топлива с исполнительным механизмом, органом регулировани давлени наддува с исполнительным механизмом и датчиком положени органа регулировани давлени наддува, блок управлени выполнен в виде управл ющей микроЭВМ с шиной входных данных, блоком пам ти с записанными в нем подпрограммами оптимизации, входными преобразовател ми по числу датчиков, выходными преобразовател ми по числу исполнительных механизмов, а также с процессором, шина входных данных выполнена в виде входа блока управлени , а каждый выходной преобразователь выходом св зан с входом соответствующего исполнительного механизма, причем выходы выходных преобразователей выполнены в виде выхода блока управлени .

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 г&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 :

м-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 / тсе Хсгрег/улерг/сгс/Л & 7J70/r/ri/O#OiЈO S aссса , . ,J)

1

&г/у хс#е/г &е t/tzco&reo /эасхоЗа.

t rr70S /7tsЈa.

4г-,-ду-ь С.)

0rfi)