Способ газопитания и регулирования поршневого двигателя в динамических режимах
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к объектам газопитания и регулирования двигателей. Изобретение позволяет расширить технические возможности работы системы на динамически изменяемых режимах. В способе газопитания и регулирования поршневого двигателя в динамических режимах путем внешнего смесеобразования газа и воздуха в инжекционном смесителе при дозировании компонентов "λ-клапаном" и регулирующей заслонкой, при повышенных нагрузках в клапанную систему двигателя дополнительно подают чистый газ по магистральному трубопроводу. Производят это импульсно по величине первой производной скорости частоты вращения двигателя и путем воздействия через пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор на широтно-импульсный модулятор и двухпозиционный клапан с соленоидным приводом. 1 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения, а конкретно к объектам газопитания и регулирования двигателей.
В настоящее время известны две принципиально разные схемы газопитания поршневых двигателей [1], одна из которых основана на внешнем смесеобразовании при помощи смесителей, устанавливаемых в системе впуска. Эта система получила наибольшее распространение. В то же время при использовании газообразных топлив с высокой теплотой сгорания применяют, но, в основном, в двухтактных двигателях, внутреннее смесеобразование, устраняющее потерю топлива при продувке цилиндров и опасность взрывов в выпускных системах. Топливо в этих случаях подают в цилиндр в начале или в конце такта сжатия через клапаны-форсунки. Для улучшения смесеобразования используют завихрение воздуха в процессе наполнения цилиндров, многодырчатые форсунки и впуск газа под давлением, обеспечивающим подачу газа в цилиндры, как правило, с докритическими скоростями. Данный способ обладает повышенным быстродействием, что особенно важно при работе двигателя в динамических режимах. Однако конструкция такой системы газопитания обладает все же недостаточной надежностью, да к тому же смесь при внутреннем смесеобразовании получается менее однородной, чем при внешнем, что приводит к снижению экономичности двигателя.
Задачей данного изобретения является построение такой системы газопитания и ее регулирования, которая бы сохраняла достоинства и относительную простоту внешнего смесеобразования, но одновременно расширяла бы технические возможности работы системы на динамически изменяемых режимах за счет включения в систему элементов внутреннего смесеобразования. Другими словами, речь идет о создании и функционировании такой комбинированной системы газопитания, которая бы сохраняла достоинства двух рассмотренных ранее систем смесеобразования при одновременном снижении их индивидуальных недостатков.
Задача данного изобретения достигается с помощью способа газопитания и регулирования поршневого двигателя в динамических режимах путем внешнего смесеобразования газа и воздуха в инжекционном смесителе при дозировании компонентов "λ-клапаном" и регулирующей заслонкой, на приводы которых поступают сигналы от пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, на который передают показания частоты вращения и нагрузки двигателя с последующим проходом отдозированной газовоздушной смеси к патрубкам впускных клапанов блока цилиндров двигателя. Согласно изобретению при повышенных нагрузках в клапанную систему двигателя дополнительно подают чистый газ по магистральному трубопроводу, причем производят это импульсно по величине первой производной скорости частоты вращения двигателя и путем воздействия через пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор на широтно-импульсный модулятор и двухпозиционный клапан с соленоидным приводом.
Предложенный способ газопитания и автоматического регулирования поршневого двигателя конструктивно определяется системой, представленной на прилагаемом чертеже.
Пронумерованные элементы имеют следующие обозначения: 1 - газораспределительный канал (ГРК) с закрепленными на нем элементами его безопасной работы: 2 - вентилем, 3 - электронным клапаном, 4 - нуль-регулятором. Далее следуют "λ-клапан" 5 и инжекционный смеситель 6 с фильтром забора воздуха 7.
Способ осуществляется следующим образом. Основное газовоздухосмешение в инжекционном смесителе 6 происходит в его самой узкой срединной части, куда и осуществлена врезка газопровода 28. От инжекционного смесителя 6 отходит газовоздушный трубопровод 8, в котором установлена регулирующая заслонка 9, оборудованная приводом 10. Конечной точкой трубопровода 8 служит впускной коллектор (ресивер) 11, откуда смесь поступает в патрубки 12 и через впускные клапана 13 в блок цилиндров 14, после чего в виде отработавших газов (ОГ) выходит в выпускной коллектор 15. Частота вращения вала двигателя, соединенного с генератором 16, контролируется датчиком 17, сигнал от которого поступает в узел сравнения 18, где сопоставляется с уставкой частоты вращения задатчика 19. После чего сигнал из узла сравнения идет двумя путями, первый из которых, фиксируя определенное изменение частоты вращения "Δω", поступает на пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор 20. Сюда же поступает и сигнал от датчика нагрузки 21 генератора в виде изменения нагрузки "Δр". ПИД регулятор 20 соединен с приводами 22 и 10 соответственно "λ-клапана" 5 и регулирующей (дроссельной) заслонки 9. Второй путь передачи сигнала из узла сравнения 18 связан с первой производной отклонения частоты вращения 
, фиксируемой в дифференциальном звене 23, сигнал откуда подается через ПИД регулятор 20 на широтно-импульсный модулятор ("ШИМ" модулятор) 24, который соединен с соленоидным приводом 25 двухпозиционного клапана 26, установленного в дополнительной магистрали 27 подвода чистого газа (взятого из ГРК 1) непосредственно к патрубкам 12 впускных клапанов 13 блока цилиндров 14, т.е. конечная цель доставки смеси двумя разными путями одна и та же.
Говоря о способе функционирования предложенной системы газопитания и регулирования, необходимо различать статический и динамический режимы работы.
Статический режим работы определяется своей стабильностью и фактически нулевым значением первой производной скорости 
, а поэтому дифференциальный канал регулирования с помощью широтно-импульсного модулятора 24 остается на этом режиме нереализуемым. При этом воздействием на привод 22 "λ-клапана" 5 от ПИД регулятора 20 и на привод 10 регулирующей заслонки 9 от того же регулятора осуществляется автоматическое поддержание требуемых расхода и состава газовоздушной смеси для данного нагрузочного режима.
При динамических изменениях нагрузки (набросах и сбросах нагрузки более 25%) контролируется момент изменения скорости частоты вращения двигателя и с целью сокращения постоянной времени регулирования концентрации газовой смеси через "λ-клапан" 5 и инжекционный смеситель 6 начинает работать в импульсном режиме клапан 26 и концентрация газовой смеси кратковременно изменяется прямо на входе в цилиндр в патрубках 12. При этом количество подаваемого газа по трубе 27 будет определяться длительностью пакета импульсов от "ШИМ" модулятора 24 скважностью - отношением времени импульса к времени паузы.
Полагаем, что предложенная система газопитания и регулирования обладает всеми критериями изобретения.
Так, широко известные зарубежные фирмы, такие как "Дойтц" и "Катерпиллар" [2] в своей продукции постоянно используют пропорционально-интегральный канал регулирования. Что касается нашего добавления к этому в виде канала импульсного дозирования подачи газа прямо под клапана по дифференциальному закону, т.е. по первой производной скорости частоты вращения двигателя, то все это прошло апробацию в ОАО "Звезда" и выявило достижение повышенного эффекта прежде всего в быстродействии всей этой системы, позволяющей считать, что предложенная нами комбинированная система газопитания и регулирования обладает критерием "промышленная применимость".
Критерий "новизна" имеет место в сочетании двух путей подачи смеси в двигатель, причем подача по дифференциальному закону осуществляется в достаточно упрощенном виде путем подачи чистого газа, что стало возможным выполнить только в комбинации с ранее известным пропорционально-интегральным каналом доставки газовоздушной смеси.
Критерий "изобретательский уровень" определяется новым подходом к решению поставленной нами задачи, когда в основе используется то, что было, а при необходимости (при динамических изменениях нагрузки) добавляется то предложенное нами новое, что быстротечно позволяет переводить всю энергоустановку из неустойчивого в устойчивый режим ее работы.
Информационные источники:
1. А.С. Орлин и др. Теория поршневых и комбинированных двигателей. Москва, "Машиностроение", 1983 г.
2. Фирма "Катерпиллар". Газовые энергоустановки. Рекомендации по использованию. США, 2001 г.
Способ газопитания и регулирования поршневого двигателя в динамических режимах путем внешнего смесеобразования газа и воздуха в инжекционном смесителе при дозировании компонентов "λ-клапаном" и регулирующей заслонкой, на приводы которых поступают сигналы от пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, на который передают показания частоты вращения и нагрузки двигателя с последующим проходом отдозированной газовоздушной смеси к патрубкам впускных клапанов блока цилиндров двигателя, отличающийся тем, что при повышенных нагрузках в клапанную систему двигателя дополнительно подают чистый газ по магистральному трубопроводу, причем производят это импульсно по величине первой производной скорости частоты вращения двигателя и путем воздействия через пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор на широтно-импульсный модулятор и двухпозиционный клапан с соленоидным приводом.
