The low power diesel-generator unit with electronically controlled fuel injection

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Дизельные двигатели, применяемые в генераторных установках, как правило, работают в режимах переменных нагрузок [1]. Поэтому с уменьшением нагрузки их технико-экономические показатели, как правило, ухудшаются. Объясняется это особенностью работы топливной системы дизеля, а именно с уменьшением нагрузок снижаются давление и величина впрыскиваемого в цилиндр топлива, и в итоге впрыск оказывается «вялым», ухудшается качество смесеобразования и сгорания.

Повышению экономичности работы дизелей электростанций может способствовать последовательное отключение цилиндров по мере снижения нагрузки при одновременном снижении механических потерь путем фиксации клапанов механизма газораспределении или переходом на регулирование режимов пропуском подачи топлива, снижая при этом скачкообразное изменение характеристик [2, 3, 4].

Цель работы – повышение эффективных показателей дизель-генераторных установок с электронно-управляемым впрыском топлива.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Предварительные испытания электронно-управляемой топливной системы проводились на стенде для регулировки топливной аппаратуры.

Моторные исследования проводились на специально разработанной и собранной на кафедре электроснабжения и автоматизации технологических процессов ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ установке (рис. 1). Измерительная установка была выполнена на базе крейтовой системы LTC.

 

Рис. 1. Функциональная схема (а) и общий вид (b) экспериментальной установки на базе дизель-генератора KIPOR: 1 – трехходовой кран; 2 – дизель; 3 – топливная аппаратура; 4 и 5 – датчики углового положения кулачкового вала ТНВД и частоты вращения коленчатого вала дизеля; 6 – микропроцессорный блок управления; 7 – крейтовая система L-Card; 8 – преобразователь напряжения 12В-45В; 9 – счетчик электроэнергии СЕ 301 R33 145-JAZ; 10 – ЭВМ; 11 – пульт управления нагрузкой; 12 – нагрузочный стенд; 13 – измеритель показателей качества электроэнергии AR.05L; 14 – датчики тока и напряжения; 15 – генератор; 16 – электронные весы; 17 – емкость для дизельного топлива; 18 – датчик температуры отработавших газов; 19 – электронно-управляемый двухзатворный соленоид.

Fig. 1. The functional scheme (a) and the main view (b) of the experimental unit, based on the KIPOR diesel-generator-unit: 1 – a three-way valve; 2 – a diesel engine; 3 – fuel injection equipment; 4, 5 – sensors of the HPFP camshaft angular displacement and the diesel engine crankshaft rotation velocity; 6 – a microprocessor control unit; 7 – the L-Card crate system; 8 – the 12V-45V voltage converter; 9 – the CE 301 R33 145-JAZ electric energy meter; 10 – a computer; 11 – a loading control board; 12 – a loading test rig; 13 – the AR.05L electric energy quality measuring instrument; 14 – current and voltage sensors; 15 – a generator; 16 – an electronic scale; 17 – a diesel fuel tank; 18 – an exhaust temperature sensor; 19 – an electronically controlled dual-gate solenoid.

 

Обработка данных проводилась на ЭВМ при помощи стандартных программ Statistika, Matchcad и специализированного комплекса программ ACTest-Pro производства ООО «Лаборатория автоматизированных систем» (г. Москва).

Регулирование режимов работы дизеля электростанции осуществлялось с использованием электронного блока разработки кафедры. В качестве дозатора топлива использовался электронно-управляемый соленоид фирмы Denso, который соединялся с ТНВД дизеля через штуцер. Для надежного «открывания» соленоида на частотах вращения дизеля 3000–3100 мин^-1 к его обмотке подводился форсирующий импульс от повышающего преобразователя напряжения DC-DC, создаваемый путем разряда предварительно заряженного бустерного конденсатора.

На рис. 2 представлены осциллограммы хода клапана и тока в обмотке электромагнита соленоида. Здесь на участке подъема клапана наблюдается резкое снижение форсирующего тока. Это объясняется появлением противо ЭДС при движении клапана соленоида.

 

Рис. 2. Осциллограммы хода клапана и тока в обмотке электромагнита соленоида: 1 – ход клапана; 2 – ток.

Fig. 2. The oscillograph charts of valve displacement and solenoid magnet winding current: 1 – valve displacement; 2 – current.

 

На рис. 3 представлены скоростные характеристики насоса распределительного типа с электронно-управляемым клапаном при различных длительностях управляющего импульса и частотах вращения кулачкового вала насоса. Раздельное регулирование топливоподачи в каждой секции позволило свести межсекционную неравномерность топливоподачи к нулю.

 

Рис. 3. Скоростные характеристики системы с насосом распределительного типа и электронно-управляемым клапаном при различных длительностях управляющего импульса и частотах вращения кулачкового вала насоса.

Fig. 3. Load curves of the system with the distributor injection pump and the electronically controlled valve, depending on control impulse duration and pump camshaft rotation velocity.

 

Информационная модель дизель-генераторной установки представлена на рис. 4.

 

Рис. 4. Информационная модель дизель-энергетической установки: $\overrightarrow{\mathit{X}}$ и $\overrightarrow{\mathit{Y}}$ – регулирующие и регулируемые величины; $\overrightarrow{\mathit{N}}$ – нагрузка.

Fig. 4. The information model of the diesel-generator unit: $\overrightarrow{\mathit{X}}$ and $\overrightarrow{\mathit{Y}}$ are controlling and controlled values, $\overrightarrow{\mathit{N}}$ is loading.

 

Функционирование дизель-энергетической установки – это реакция выходных величин, описываемых функцией $\overrightarrow{Y}({у}_1,{у}_2,\dots ,{у}_k)$ на входные – регулирующие $\overrightarrow{X}({х}_1, {х}_2,\dots ,{х}_m)$ и нагрузку потребителя $\overrightarrow{N}$.

Переменные $\overrightarrow{X}$, $\overrightarrow{Y}$ и $\overrightarrow{N}$ могут быть описаны в виде: $\overrightarrow{Y}=Р\{\overrightarrow{X},\overrightarrow{N}\}$, где Р – оператор, определяющий вид зависимости.

Качество выходных параметров у₁, у₂, …, у_k в большей степени определяется регулятором генератора и дизеля. При этом экономичная работа дизеля может быть обеспечена путем регулирования топливоподачи – цикловой подачи g_ц и опережения подачи θ.

С учетом широкого диапазона изменения нагрузки потребителя и ухудшения качества впрыска со снижением нагрузки, для улучшения смесеобразования и сгорания регулирование топливоподачи может быть осуществлено пропуском подач топлива. При этом число подач m топлива с цикловой подачей, равной номинальной, определяется по регуляторной характеристике (причем каждая убавленная на величину Δg_ц. подача теоретически должна собрать одну пропущенную):

$m_i=\frac{g_{\text{ц.р}}}{\Delta g_{\text{ц}}}=\frac{g_{\text{ц.р}}}{g_{\text{ц.н}}-g_{\text{ц.р}}}$,    (1)

где $g_{\text{ц.р}}$ и $g_{\text{ц.н}}$ – цикловая подача по регуляторной ветви и номинальная.

Из выражения (1) следует, что расчетное значение числа подач m не всегда целое число. При регулировании режимов работы дизеля используются целые значения m. Поэтому для исключения статической ошибки регулирования, следовательно, и снижения ступенчатости изменения характеристик дизеля и выходных параметров автономной энергетической установки следует реализовывать число подач m следующим образом.

При снижении нагрузки (рис. 5) со стороны потребителя до значения, при котором требуемые для реализации пропуски подач окажутся нецелыми числами, регулятор будет реализовывать округленные до целых пропуски (на чертеже пропускаемая подача обозначена через k, а число подач – m), а их остаток, в случае округления в меньшую сторону, в виде Δg_ц1 – прибавлять к цикловым подачам (на чертеже, а) или, в случае округления в большую сторону, убавлять цикловую подачу g_ц на величину Δg_ц2 (b).

 

Рис. 5. Условный график реализуемых (сплошные линии) и пропускаемых (штриховые линии) цикловых подач.

Fig. 5. The relative graph of completed (solid lines) and skipped (dashed lines) fuel feed per stroke.

 

Расчеты, проведенные в Mathlab, показывают, что при регулировании режимов работы дизеля пропуском подач энергетической установки выходные характеристики изменяются ступенчато (рис. 6). Плавное изменение характеристик достигается путем корректирования подач. При этом степень нечувствительности регулятора снижается на 15%.

 

Рис. 6. Результаты расчета Δg_ц в Mathlab.

Fig. 6. The results of fuel feed change calculation, obtained with Mathlab.

 

Объем впрыскиваемого в цилиндр дизеля топлива за m подач можно определить по выражению:

$V=m\cdot g_{\text{ц}}$,    (2)

где g_ц – цикловая подача топлива, мм³/цикл.

Объем топлива при корректировке цикловых подач:

$V^{\text{'}}=m^{\text{'}}\cdot (g_{\text{ц}}+\Delta g_{\text{ц}}),$ (3)

где $m^{\text{'}}$– округленное значение числа подач топлива; $\Delta g_{\text{ц}}$ – объем корректируемой цикловой подачи топлива, мм³/цикл.

Так как $V=V^{\text{'}}$, то $m\cdot g_{\text{ц}}=m^{\text{'}}\cdot (g_{\text{ц}}+\Delta g_{\text{ц}})$.

Отсюда

$m=k_g\cdot m^{\text{'}},$ (4)

где $k_g=\frac{g_{\text{ц}}+\Delta g_{\text{ц}}}{g_{\text{ц}}}$ – коэффициент коррекции цикловой подачи.

Эффективный КПД двигателя определяется по известному выражению:

${\eta }_e={\eta }_i\cdot {\eta }_{\text{м}},$ (5)

где ${\eta }_i$ и ${\eta }_{\text{м}}$ – индикаторный и механический КПД двигателя.

Для многоцилиндрового дизельного двигателя при работе с пропуском подач топлива (с числом подач m) выражение (5) запишется в следующем виде:

${\eta }_e=\left[{\eta }_{\text{м}}-\frac{k_{\text{н}}\cdot ({\eta }_{\text{м}}+1)}{m}\right]\cdot {\eta }_i,$ (6)

где $k_{\text{н}}$ – коэффициент, учитывающий снижение механических потерь у выключенных циклов.

Эффективный КПД дизеля при регулировании его режимов пропуском и корректировкой подач топлива можно получить, подставляя выражение (4) в (6) в следующем виде:

${\eta }_e=\left[{\eta }_{\text{м}}-\frac{k_{\text{н}}\cdot ({\eta }_{\text{м}}+1)}{k_g\cdot m^{\text{'}}}\right]\cdot {\eta }_i,$ (7)

эффективный крутящий момент:

$M_e=k_{\text{M}}\cdot g_{\text{ц}}\cdot {\eta }_{е},$ (8)

где $k_{\text{M}}$ – коэффициент пропорциональности.

Эффективный удельный расход топлива определяется по выражению

$g_e=\frac{G_T}{k_{\text{M}}\cdot g_{\text{ц}}\cdot {\eta }_e\cdot \omega },$ (9)

где ω – угловая скорость коленчатого вала дизеля, мин^-1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

С использованием выражений (7) и (9) построены зависимости (рис. 7 а и b).

 

Рис. 7. Зависимости эффективных показателей дизеля автономной энергетической установки от загрузки (а) и коэффициента коррекции подачи топлива (b).

Fig. 7. Effective indicators of the diesel engine of the autonomous electrical power unit, depending on loading (a) and fuel feed correction coefficient (b).

 

Из рис. 7 следует, что с увеличением загрузки двигателя (а) и коэффициента корректируемого объема топлива  (b), эффективность работы двигателя повышается. Это объясняется, прежде всего, снижением числа пропускаемых подач, т. е. снижением холостых ходов поршней. Увеличить эффективный КПД и крутящий момент дизеля можно и снижением величины k_н, т. е. механических потерь на трение у выключенных цилиндров, насосные ходы поршня, теплоотвод в систему охлаждения (в процессе сжатия), а также увеличивая объем корректируемой подачи.

Моторные испытания микропроцессорной системы управления топливоподачи на дизеле электростанции проводили по многофакторному плану. Это позволило в итоге сократить число экспериментов и повысить точность исследований.

В качестве переменных были выбраны: к – номер пропускаемой подачи, g_ц – цикловая подача и n – частота вращения вала двигателя. За параметр оптимизации был принят удельный эффективный расход топлива – g_е.

Управляющими параметрами (Х) приняты цикловая подача g_ц и номер пропускаемой подачи k; параметрами состояния (Y) – удельный расход топлива g_е и нагрузка потребителя.

На основе анализа априорных экспериментальных данных была выбрана функция отклика вида

$\begin{array}{l}{g}_e=b_0+b_1\cdot g_{\text{ц}}+b_2\cdot \Delta \theta +b_3\cdot N_e+b_{11}\cdot g_{\text{ц}}\cdot \Delta \theta +b_{22}\cdot g_{\text{ц}}\cdot N_e+b_{33}\cdot \Delta \theta \cdot N_e+\\ +b_{12}\cdot g_{\text{ц}}^2+b_{13}\cdot \Delta {\theta }^2+b_{23}\cdot N_e^2.\end{array}$

Здесь b₀, b₁, b₂, b₃, b₁₁, b₂₂, b₃₃, b₁₂, b₁₃, b₂₃ – коэффициенты регрессии, определяемые методом вариационно-статической обработкой результатов многофакторного эксперимента.

Для определения коэффициентов регрессии использована программа Mathcad.

Значения факторов определены по общепринятой методике с использованием экспериментальных данных. Например, при значениях g_ц =18,3 мм³/цикл; Δθ = 4,9 град и N_e = 9,2 кВт удельный эффективный расход оказался равным g_е = 270,8 г/(кВт∙ч).

Адекватность модели была доказана критерием Фишера. Рассчитанное значение его не превышало табличного (1,97 < 2,0).

Функция отклика с рассчитанными коэффициентами в окончательном виде

$\begin{array}{l}{g}_e=4567-\mathrm{469,249}\cdot g_{\text{ц}}+\mathrm{1,546}\cdot {10}^3\cdot \Delta \theta -\mathrm{795,367}\cdot N_e-\mathrm{42,277}\cdot g_{\text{ц}}\cdot \Delta \theta +\mathrm{3,029}\cdot g_{\text{ц}}\cdot N_e+\\ +\mathrm{141,26}\cdot \Delta \theta \cdot N_e+\mathrm{17,848}\cdot g_{\text{ц}}^2-\mathrm{215,986}\cdot \Delta {\theta }^2+\mathrm{1,811}\cdot N_e^2.\end{array}$ (10)

Результаты расчетов, выполненных с использованием выражения (10), и экспериментов приведены на рис. 8.

 

Рис. 8. Нагрузочная характеристика дизеля электростанции KIPOR KDE19AE3 при работе со штатной (полые кружочки) и экспериментальной (треугольники) системами управления; темные кружочки – удельный расход топлива, рассчитанный по многофакторному плану.

Fig. 8. Load curves of the KIPOR KDE19AE3 electrical power unit diesel engine in operation with default (hollow circles) and experimental (triangles) control systems; dark circles are specific fuel consumption, calculated according to multifactorial design.

 

Для достижения наибольшей экономичности регулирование режимов работы дизеля электростанции обеспечивалось комбинированным способом – при работе с номинальной нагрузкой и перегрузкой изменением цикловой подачи, а на частичных режимах пропуском подач с дополнительным корректированием цикловых подач в остающихся циклах. Кроме того, на отдельных нагрузочных режимах система дополнительно корректирует номер пропускаемой подачи. Так, например, при нагрузках потребителя 13,5 кВт микропроцессорный блок реализует полную подачу (m = 100%) (рис. 7). На участке номинальных и частичных (до 7 кВт) нагрузок номер пропускаемой подачи увеличивается на единицу, а при дальнейшем снижении нагрузки этот коэффициент увеличивается еще на единицу, т. е. k + 2.

Для обеспечения полноты сгорания топлива на режимах близких к номинальным и выше микропроцессорная система автоматический регулировала и опережение подачи топлива (Δθ) путем изменения задержки, подаваемого к соленоиду тока. 

Из рис. 8 видно, что при реализации комбинированного управления достигается более экономичная работа дизеля электростанции. И экономичность тем выше, чем ниже нагрузка потребителя. Так, например, при нагрузках 6 кВт расход топлива снижается с 355,6 до 322 г/(кВт∙ч), т. е. на 9,4%, а при 4,5 кВт это снижение составляет 19,3% (с 540 до 436 г/(кВт∙ч)).

Из графика также видно, что с уменьшением нагрузки снижается и температура отработавших газов. Так, например, при снижении нагрузки с 13,5 до 9,0 кВт температура отработавших газов уменьшается на 260 °С. Это объясняется снижением объема впрыскиваемого в цилиндр топлива. При работе дизеля комбинированным управлением топливоподачи температура отработавших газов оказывается выше, чем при штатной системе.  Так, на режиме 6 кВт при работе дизеля со штатной системой температура отработавших газов составила 380 °С, экспериментальной – 550 °С. Такая разница объясняется возрастанием нагрузки на продолжающие работать цилиндры.

Комбинированное регулирование топливоподачи позволило приблизить равномерность вращения коленчатого вала дизеля как при штатной системе. При обычном регулировании режимов работы дизеля пропуском подач это не представляется возможным. Так, на скоростном режиме 3000 мин^-1 при работе дизеля электростанции KIPOR KDE19AE3 без нагрузки степень неравномерности вращения коленчатого вала приблизилась к отметке 0,81%. Незначительное возрастание степени неравномерности вращения коленчатого вала с увеличением частоты вращения объясняется увеличением числа пропусков.

В период проведения моторных испытаний отказов и изменения характеристик с опытной системой не наблюдались. Это позволяет положительно оценить возможную надежность ее работы.

В соответствии с представленными данными можно отметить, что комбинированное управление топливоподачи может успешно использоваться в дизелях автономных электростанций. Оно позволяет гибко управлять величиной подачи и опережением впрыска и на основе этого обеспечить оптимальные их значения для каждого режима работы двигателя позволяя повысить энергетические показатели электростанции. Снижение инерционности действия регулятора дает предпосылки к повышению показателей качества электроэнергии.

Сравнительные экспериментальные исследования, проведенные на дизель-энергетической установке с использованием электронно-управляемого топливодозирующего клапана при регулировании режимов работы пропуском и корректировкой топливоподачи [1, 2] позволили выявить экономичную работу двигателя по мере снижения нагрузки [3] и снижение колебаний частоты вращения коленчатого вала дизеля. Снижение расхода топлива объяснялся, прежде всего, улучшением процесса смесеобразования и сгорания топлива. Стабильность частоты вращения коленчатого вала двигателя достигался именно из-за корректировки цикловых подач при работе пропуском подачи топлива.

На рис. 9 представлен график сброса и наброса нагрузки на дизель-энергетической установке при различных способах регулирования топливоподачи. Так, например, при регулировании режимов работы дизель-энергетической установки пропуском и корректировкой подачи топлива колебание угловой скорости коленчатого вала резко снизилось на 41,4% (с 2,9 до 1,2 с^-1), а при сбросе нагрузки перерегулирование сократилось на 10,1% (с 19,2 до 9,1%).

 

Рис. 9. Сброс и наброс нагрузки на дизель-энергетической установке при работе со штатным (синяя линия), электронном обычным пропуском (синяя пунктирная линия), пропуском и корректировкой подачи топлива (зеленая линия).

Fig. 9. Drop and rise of the load on the diesel-generator unit in operation with default fuel feed skip (blue solid line), electronic simple fuel feed skip (blue dashed line) and fuel feed skip and correction (green solid line).

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом, при использовании дизель-энергетических установок прежде всего на первое место ставится экономия топлива, использование предложенного нами способа регулирования топливоподачи пропуском и корректировкой подачи топлива позволит существенно снизить расход топлива (на режимах малых нагрузок экономия топлива доходит до 10%). При таком регулировании колебание частоты вращения вала двигателя и, следовательно, и ротора генератора намного меньше, чем при регулировании обычным пропуском подачи топлива.

Переход на регулирование режимов работы дизелей автономных электростанций комбинированным электронным управлением топливоподачи не требует существенного изменения конструкции двигателя – снимается механический регулятор, на секцию топливного насоса высокого давления устанавливается штуцер с электронно-управляемым перепускным клапаном. Ток к клапану подводится от электронного блока управления.

Перевод автономных электростанций на такое регулирование может производиться в условиях обычных ремонтных мастерских и для модернизации одной электростанции, например, KIPOR KDE19AE3 требуются затраты в сумме 13 590 руб. При этом одной электростанцией за год будет сэкономлено 1191 литров топлива при его стоимости 53,7 руб./литр на сумму более 63,96 тыс. руб.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. В.И. Потапов ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи, создание изображений; Р.Р. Галиуллин ― редактирование текста рукописи, экспертная оценка, утверждение финальной версии. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. V.I. Potapov ― search for publications on the topic of the article, writing the text of the manuscript, creating images; R.R. Galiullin ― editing the text of the manuscript, expert opinion, conducting, approval of the final version. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work.

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Rustam R. Galiullin

Bashkir State Agrarian University

Email: rustam6274@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1031-5068
SPIN-code: 5661-1922

Dr. Sci. (Tech.), Head of Department

Russian Federation, Ufa

Viktor I. Potapov

Bashkir State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: swooth@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3438-0887
SPIN-code: 2631-4187

Senior Lecturer

Russian Federation, Ufa

References

Supplementary files