Способ регулирования газожидкостного двигателя внутреннего сгорания

005343 Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к регулированию газожидкостных двигателей внутреннего сгорания. Известен способ регулирования газожидкостного двигателя внутреннего сгорания фирмы Зульцер (Васильев Ю.Н., Золотаревский Л.С., Ксенофонтов С.И. Газовые и газодизельные двигатели. М.: ВНИИЭгазпром, 1992, с.75-77) путем изменения подачи жидкого и газообразного топлива, причем частоту вращения регулируют изменением подачи газа, желаемую запальную дозу топлива изменяют при помощи регулирующего устройства положения упора запального топлива при падении давления газа или недостатке мощности вследствие изменения химического состава газа. Указанный способ позволяет осуществлять запуск двигателя только на жидком топливе, и в случае недостатка мощности или уменьшения давления газа полностью переходит на работу на жидком топливе, а также работать на газе с содержанием азота до 40%. Однако данный способ применяется преимущественно в судовых условиях работы. В случаях работы двигателя в условиях, связанных с большим количеством переходных процессов и высокими требованиями к качеству регулирования частоты вращения, например, в составе электростанции, регулирование частоты вращения изменением подачи газа приводит к возможной детонационной работе во время переходного процесса, провалам или забросам частоты вращения из-за нелинейностей и высокой инерционности систем газовоздухоснабжения с выходом из допустимых границ коэффициента избытка воздуха. Известен способ регулирования мощности двигателя внутреннего сгорания, работающего на жидком газообразном топливе (авт. св. СССР 1784737 А 1, кл. F 02 D 19/08, F 02 М 43/00, заявка 4824121.06, заявл. 14.05.1990, опубл. 30.12.1992, бюл. 48), заключающийся в том, что регулирование мощности двигателя осуществляют изменением подачи газа в зонах больших и малых нагрузок, в области средних нагрузок изменение мощности осуществляют изменением количества газовоздушной смеси,при этом в зоне больших и средних нагрузок доза запального топлива постоянна, а при малых нагрузках дозу запального топлива увеличивают с помощью подвижного упора-ограничителя, который выполнен в виде поворотного рычага, имеющего привод от электродвигателя постоянного тока. Этот способ позволяет оптимизировать состав топливо-воздушной смеси для широкого диапазона режимов работы автомобильного двигателя, как правило безнаддувного, и, соответственно, улучшить топливную экономичность и уменьшить токсичность отработанных газов. Однако при работе двигателя с наддувом в условиях, связанных с высокими требованиями к качеству регулирования, например, в составе электростанции, указанный способ приводит к недопустимой жесткости и даже к детонационной работе двигателя, к недопустимым забросам и повалам частоты вращения из-за нелинейностей и инерционности в работе системы газовоздухоснабжения из-за недопустимых значений коэффициента избытка воздуха. Высокая сложность управляющих систем для реализации способов приводит к высокой стоимости конвертации дизельного двигателя в газожидкостный, а также к уменьшению надежности работы двигателя в целом и ухудшению ремонтопригодности. Известен способ регулирования газожидкостного двигателя внутреннего сгорания (патент RU 2076225 С 1), когда частоту вращения регулируют изменением подачи запального топлива, при этом желаемую запальную дозу топлива фиксируют изменением подачи газообразного топлива, исходя из отсутствия рассогласования между фактической запальной дозой топлива и желаемой. Кроме того, регулирование изменения подачи газообразного топлива обеспечивают не менее чем в два раза медленнее, чем при положительном рассогласовании, и с максимально-достижимым быстродействием при отрицательном рассогласовании между фактической дозой запального топлива и желаемой. При этом рассогласование считается положительным при превышении фактической дозы запального топлива над желаемой, а отрицательным - при превышении фактической дозы запального топлива меньше, чем желаемая. Высокое качество регулирования работы газожидкостного двигателя внутреннего сгорания, улучшение приемистости достигается тем, что при работе двигателя поддержание заданной частоты вращения обеспечивается быстрым изменением подачи запального топлива, как более приспособленного к сгоранию в двигателях внутреннего сгорания и удовлетворительно сгорающего в гораздо большем диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха, чем газообразное топливо, причем процесс сгорания жидкого топлива не сопровождается детонацией. При этом величина подачи запального топлива по окончании переходного процесса установится в соответствии с балансом мощности и вводимой с жидким газообразным топливом энергии. Добавка в цилиндры двигателя газа этот баланс нарушает, обороты двигателя увеличиваются, и контур регулирования частоты вращения уменьшит подачу жидкого топлива до восстановления нарушенного баланса. Увеличение подачи газа в случае положительного рассогласования между фактической дозой запального топлива и желаемой производят до тех пор, пока рассогласование не станет нулевым. Регулирование в изменении подачи газа с быстродействием не менее чем в 2 раза медленнее, чем регулирование подачи запального топлива, при положительном рассогласовании позволяет избежать неустойчивой работы контура регулирования частоты на увеличение коэффициента воздуха. В случае отрицательного рассогласования между фактической подачей запального топлива и желаемой, во избежание неустойчивой работы-1 005343 двигателя из-за малости подачи запального топлива, подачу газа уменьшают с максимально достигаемым быстродействием. При падении давления газа или ухудшении состава газа по теплоте сгорания при полностью открытом органе подачи газа величина подачи запального топлива установится в соответствии балансом мощности и подводимой с газом и запальным топливом энергии. Качество регулирования двигателя и отдаваемая полезная мощность при этом не изменяются. Указанный способ отличается принципиальным недостатком: при увеличении нагрузки на двигатель снижаются его обороты, что вызывает рост дозы запального топлива. Это приводит к обогащению смеси в цилиндрах. В то же время имеет место положительное рассогласование запальной дозы, что приводит к увеличению количества газа, подаваемого в цилиндры. При имеющей место инерционности системы воздухоснабжения (особенно при наличии в ее составе турбокомпрессора) в зависимости от степени переобогащения смеси в цилиндрах, при увеличении подачи газа может наступить момент, когда количество воздуха будет ниже требуемого, что вызовет снижение или даже рост мощности и восстановление оборотов. В отдельных случаях мощность и обороты двигателя даже могут снизиться. Переобогащению смеси способствует перерегулирование двигателя, когда величина запальной дозы топлива впрыскивается не только для реализации требуемой мощности, но и для восстановления оборотов (на кинетическую энергию). Для исключения вредного переобогащения смеси ведется контроль его состояния и, в случае наличия, временно или окончательно прекращают подачу газа даже в случае положительного рассогласования запальной дозы. Указанный контроль состояния смеси может осуществляться различными способами. К ним, например, могут относиться прямой способ контроля состава газа на выходе из двигателя,косвенный контроль изменения мощности или цикловой пода (запальной дозы) при кратковременном увеличении скорости пода газа. В изобретении ставится задача обеспечения отсутствия резких провалов частоты вращения газожидкостного двигателя при набросах нагрузки. Эта задача решена в способе регулирования газожидкостного двигателя, когда изменение частоты вращения регулируют изменением подачи запального топлива, в котором подачу газа изменяют в диапазоне, обеспечивающем, с одной стороны, достижение желаемой запальной дозы топлива, с другой стороны, отсутствие переобогащения смеси в цилиндрах. Отличие способа заключается в том, что подачу газа изменяют в диапазоне, обеспечивающем, с одной стороны, достижение желаемой запальной дозы топлива, с другой стороны, отсутствие переобогащения смеси в цилиндрах. Отличие второго варианта способа заключается в том, что в случае нехватки газа или его энергетической составляющей мощность двигателя обеспечивается за счет увеличения запальной дозы жидкого топлива. Изобретение поясняется приведенными чертежами. На фиг. 1 приведена система управления, с помощью которой реализуют предлагаемый способ регулирования газожидкостного двигателя внутреннего сгорания. На фиг. 2 приведены временные диаграммы регулирования двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению. Система управления, с помощью которой реализуют предлагаемый способ регулирования газожидкостного двигателя внутреннего сгорания, содержит регулятор частоты вращения 1, соединенный с органом изменения подачи запального жидкого топлива 2, датчик положения органа подачи запального топлива 3, регулятор подачи газа 4, устройство изменения подачи газообразного топлива 5, осуществляющее подачу газа в двигатель 6, с которым соединена нагрузка 7. Реализация указанного способа иллюстрирует фиг. 2, где, соответственно, а - момент сопротивления на валу двигателя, Мс, б - частота вращения, nдв, в - положение органа дозирования запальной дозы жидкого топлива, Нр, г - открытие дозирующего органа подачи газообразного топлива, п.г.,время процесса. Предложенный способ регулирования газожидкостного двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом. С начального момента времени 0 двигатель работает на минимально возможной на газодизельном цикле мощности при внешнем моменте сопротивления Мсmin (а фиг. 2). В момент времени 1 (фиг. 2) происходит наброс момента сопротивления (внешней нагрузки) на валу двигателя Mc1 (а фиг. 2), при этом частота вращения nдв (б фиг. 2) уменьшается на nдв 1 (б фиг. 2) и регулятор частоты вращения 1 (фиг. 1) через орган изменения подачи запального топлива 2 (фиг. 1) увеличивает подачу запального топлива Нр 3 д (в фиг. 2) до значения Hp13 д, затем регулятор подачи газа 4 (фиг. 1) через устройство изменения подачи газообразного топлива 5 (фиг. 1) при отсутствии переобогащения смеси увеличивает подачу газообразного топлива до значения п.г 1 (г фиг. 2), обеспечивающего достижение желаемой запальной дозы топлива Hp3 д (в фиг. 2). В момент времени 2 (г фиг. 2)-2 005343 происходит наброс момента сопротивления на валу двигателя до значения Мс 2max (а фиг. 2.). При этом частота вращения nдв уменьшается на nдв 2 (б фиг. 2) и регулятор частоты вращения 1 (фиг. 1), поддерживая заданную частоту вращения nдвном (б фиг. 2) через орган изменения подачи запального топлива 2 (фиг. 1) до значения Нр=100% (в фиг. 2), при этом по результатам анализа положения органа изменения подачи запального топлива или по анализу выхлопных газов, или по результатам контроля анализа скорости нарастания мощности двигателя устанавливается возможность наличия переобогащения рабочей смеси в цилиндрах двигателя. Регулятор подачи газа 4 (фиг. 1) при возможности наличия переобогащения не позволяет устройству изменения подачи газообразного топлива 5 (фиг.1) увеличивать подачу газообразного топлива и, тем самым, обеспечивает отсутствие переобогащения смеси в цилиндрах. Необходимый момент, развиваемый двигателем на валу в этот момент времени, обеспечивается за счет увеличенной подачи запального топлива. Кроме того, в случае нехватки газа или его энергетической составляющей требуемая мощность двигателя обеспечивается за счет увеличенной запальной дозы жидкого топлива. К моменту времени 3 по результатам контроля анализа положения органа изменения подачи запального топлива, или по анализу выхлопных газов, или скорости нарастания мощности двигателя устанавливается возможность увеличения подачи газообразного топлива без переобогащения смеси в цилиндрах. Регулятор подачи газа 4 (фиг. 1) через устройство изменения подачи газа изменяет подачу газа до значения п.г 2 (г фиг. 2), обеспечивающего желаемую запальную дозу жидкого топлива Нр 3 д (в фиг. 2) в момент времени t4 (фиг. 2). Таким образом, благодаря указанному способу, частота вращения двигателя остается в допускаемом диапазоне nдвдоп (б фиг. 2). Указанный способ может быть эффективно реализован при обеспечении энергии потребителей с резко переменным характером нагрузки, таких как буровые установки. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ регулирования газожидкостного двигателя, когда изменение частоты вращения регулируют изменением подачи запального топлива, отличающийся тем, что подачу газа изменяют в диапазоне,обеспечивающем, с одной стороны, достижение желаемой запальной дозы топлива, с другой стороны,отсутствие переобогащения смеси в цилиндрах. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае нехватки газа или его энергетической составляющей мощность двигателя обеспечивается за счет увеличения запальной дозы жидкого топлива.