51. Системы электронного управления двигателями фирм «Катерпиллар», «МАН-Дизель», «Вяртсиля-Зульцер».

Применение электронного управления двигателями открывает новые возможности в совершенствовании процессов сгорания, тем самым повысить экологичность, экономичность и надёжность.

Первой, освоившей промышленный выпуск дизелей с элект­ронным управлением, была фирма «Катерпиллар». В области су­дового двигателестроения первые шаги сделали фирмы MAN&BW (Intelligent engine) — 2-х тактные, и Вяртсиля: 4-х тактные двигатели и двигатели 2-х тактные — Зульцер (RTA-flex).

Устанавливаемый на двигатели микропроцессор выполняет функции:

•         Электронного регулятора скорости, поддерживающего заданный скоростной и нагрузочный режим;

•         Управления подачей топлива в соответствии с заданным режи­мом;

•        
Фиксирования и мониторинга основных параметров двигателя и обслуживающих его систем;

•         Осуществления АПС и З;

•        

Реализация перечисленных функций существенно повы­шает уровень контроля и технической эксплуатации, продлевает ресурс двигателя. Принципиальная схема системы электронного управления представлена на Рис. 1 Учитывая жесткие требования по безо­пасности мореплавания, в систему включено дублирование электронных модулей, рукояток управления, датчиков оборотов и положе­ния ВМТ (см. Рис. 1). Для исключения внезапного отказа основной электронный блок каждые 50с. посылает сигналы резервному блоку и, по получении обратного сигнала, продолжает функционировать по своему назначению. В случае нарушений в его работе сигналы от основного блока прекращаются, и тогда включается в работу резер­вный. Равным образом функционируют и зарезервированные датчики оборотов.

Оптимизация моментов подачи топлива решается программой, заложенной в электрон­ный блок, и получающей сигналы от датчиков числа оборотов, нагруз­ки (положения топлив­ной рукоятки), давления наддува, температуры топлива.

В соответствии с ве­личинами перечислен­ных сигналов

программа вычисляет оптимальные для данного режима значения начала и конца подачи топлива и пода­ет ток на соленоиды на­сос-форсунок, переме­щающие управляющие клапаны в положения — подача или отсечка (см. рис. 2).

Когда управляющий клапан (Рис. 3) находится в нижнем по­ложении, он сообщает полость под плунжером через канал 2 с отсеч­кой (канал 1) и даже при движении плунжера вниз (ход нагнетания), давление под ним не будет расти. Последнее начнет подниматься лишь после того, как включение соленоида потянет клапан вверх и посадит его на седло, полость под плунжером будет разобщена с отсечкой. Когда давление под плунжером а, следовательно, и под иглой достигнет 350 бар, начнется впрыск топлива в цилиндр. Конец подачи происходит в момент прекращения подачи тока на соленоид, клапан под действи­ем пружины опуска­ется вниз и сообща­ет полость нагнета­ния с отсечкой.

С помощью под­ключаемого к микро­процессору компью­тера и заложенной в него программы по известным кодам осуществляется диагностика дви­гателя. В качестве компьютера обыч­но используется Notebook, для него разработана программа, позволяющая при подключении не только собирать информацию о работе двигателя за предыдущий период его эксплуатации, но диагностировать его техническое состояние, включая и диагностику всей электроники. Для тестирования насос-форсунок программа в автоматическом режиме поочередно отклю­чает цилиндры и по увеличению подачи топлива на работающих ци­линдрах определяется какую часть нагрузки он брал на себя. Очень важным достижением фирмы является тот факт, что в новой модели двигателя серии С-9 с гидроприводом насос-форсунок на компью­тер выдается усредненная для данного режима величина цикловой подачи топлива каждой форсунки.

Поскольку давление впрыска в этих форсунках находится в прямой зависимости от давления гидромасла, то фикси­рование микропроцессором этих давлений и фаз подачи на корот­ком отрезке времени позволяет подсчитать давления Р_впр и продол­жительность впрыска (t_вnp = ϕ_впр / 6 n ), и по ним и известной вели­чине эффективного сечения сопловых отверстий ( µf _с) определить среднюю величину цикловой подачи.

Сопоставление подач по всем цилиндрам позволяет оценить работу каждой насос-форсунки.

Начало работ по системам электронного управления двухтак­тных малооборотных двигателей относится к 1991 году, в 2003 году были построены и установлены на танкерах первые двигатели 7S-50МЕ-С и 6S70ME-C с электронным управлением. Фирмой было прежде всего разработано и заложено в основу электронной систе­мы программное обеспечение.

Конфигурация системы управления, приведенная на Рис.5 включает панель управления на мостике, главную панель управле­ния в посту управления, два микропроцессора (основной А и резерв­ный В), в которые заложены программы управления, панель местного управления также с двумя электронными блоками А и В и модулями на каждом цилиндре.

Перевод мощных двигателей на электронное управление потребовал не только поиска и разработки программ уп­равления, высоконадежных средств электроники, но и радикально­го решения по замене мощных механических 

приводов. Достаточно сказать, что привод топливного насоса в стандартном варианте ис­пытывает весьма большие нагрузки, если учесть, что в мощной ма­шине в цилиндр за цикл подается около 200 г. топлива, сжатого до 80-90 МПа. Высокие нагрузки приходятся и на привод выхлопных клапанов. Поэтому единственно верным решением было применить в качестве силовых передач гидропривод (МАН Дизель и Турбо), либо аккуму­ляторную систему топливоподачи, как это сделала фирма Зульцер. Схема системы топливоподачи с гидроприводом представлена на Рис.6. В число основных компонентов системы входят:

Самоочищающийся 10 микронный фильтр тонкой очистки маcла, необходимость в котором определяется более высокими требованиями к маслу, используемому в гидроприводе.

• Гидронасосы, использующие масло из общей системы смазки двигателя и поднимающие его давление до 17,5 МПа (электроприводные и применяемые при пуске двигателя) и до 25 МПа с приводом от двигателя, берущие на себя снабжение гидросис­темы маслом во время его работы. Масло направляется в акку­мулятор (Рис. 6), давление в котором поддерживается путем изменения производительности гидронасосов, находящейся под управлением электронных блоков. Из аккумулятора масло направляется к установленным на каждом рабочем цилинд­ре гидроцилиндрам-усилителям привода ТНВД и выхлопного клапана, включающим блок распределения с гидравлическими аккумуляторами и электронно  управляемыми, пропорцио­нальными, быстродействующими клапанами положения (NC) см. Рис.7. В задачу последних входит управление фазами и давлениями топливоподачи, фазами движения выхлопного клапана.

Электронное управление и гидропривод топливного насоса.

Топливный насос высокого давления в сравнении с традици­онными конструкциями механически значительно 

проще. В нем отсутствуют механический привод плунжера, (заменен на гидропри­вод), механизм управления фазами подачи топлива, механизм VIT.

Плунжер представляет собой гладкий поршень без косых кромок, что существенно упрощает технологию его изготовления и повыша­ет ресурс. Масло из аккумулятора через управляющий клапан, акти­визация которого осуществляется электронным блоком, попадает в полость над гидропоршнем. Воспринимаемое им усилие, будучи усиленным в 4,47 раза (отношение площадей F_гп / F_пл = 4,47), пе­редается поршню-плунжеру топливного насоса, осуществляющему сжатие топлива до заданных процессором давлений в 50 - 100МПа и подачу его к форсункам.

Как уже отмечалось, моменты поступления масла в цилиндр гидроусилителя, а, следовательно, фазы и количественная харак­теристика подачи, задаются микропроцессором, в свою очередь воздействующим на управляющий клапан. В микропроцессор заложены программы, позволяющие изменять давление масла по ходу процесса впрыска, тем самым менять характер кривой давлений впрыска и подбирать необходимый для данного режима закон пода­чи топлива. Возможные варианты приведены на Рис. 9. Рис. 10 иллюстрирует влияние характера 

впрыска на развитие давлений в рабочем цилиндре. Здесь мы видим впрыск с резким ростом давле­ний в начальной стадии и последующим спадом давления и, сопро­вождаемым уменьшением скорости впрыска топлива (поз.А). Такой вариант, равно как и последующий (поз.В), приведет к резкому росту тепловыделения в цилиндре в начальной стадии сгорания и боль­шим Р_макс. В итоге - будет достигнута высокая экономичность, но и большие тепловые и механические нагрузки на ЦПГ. Более мягкая организация подачи в ее начале и резкое окончание в конце (поз. С) позволяет уменьшить нагрузки, но в ущерб экономичности дви­гателя. В то же время, улучшается распыливание топлива в конце подачи, а, следовательно, достигается меньшее догорание на ли­нии расширения. Мягкое сгорание в начальной стадии и меньшие температуры рабочего цикла достигаются при двухфазном впрыске (поз.D). К этому варианту прибегают, когда стоит задача уменьше­ния содержания в выхлопных газах NO_x.

Электронное управление и гидропривод выхлопного клапана

Система привода включает цилиндр-актюатор, заполняемый маслом высокого давления из аккумулятора через управляющий клапан, активируемый электрическим сигналом, поступающим из электронного блока (Рис. 7).

Перечисленные элементы практически выполняют функции традиционной системы механического привода клапана, состояв­шей из распределительного вала с кулачком, толкателя и коромыс­ла. В рассматриваемой системе гидропривода управляющий кла­пан по получении эл. сигнала от электронного блока в необходимый момент открывает доступ гидромасла высокого давления к порш­ню сервопривода (см. Рис. 11), который, двигаясь вниз, открывает клапан. Закрытие клапана происходит после перемещения управ­ляющего клапана в положение, при котором полость актюатора раз­гружается от давления масла. Соответственно полость гидроусили­теля также разгружается и воздушная пружина поднимает клапан в положение “закрыто”. В конструкции сервоприводов предусмотрены демпферы, смягчающие удары при открытии и закрытии клапана. Контроль за перемещениями клапана осуществляет установленный на корпусе датчик, реагирующий на изменение расстояния между ним и напрессованным на шток клапана измерительным конусом.

Важно отметить, что предоставленная электроникой воз­можность изменения фаз открытия и закрытия клапана поз­воляет их оптимизировать в соответствии с режимом рабо­ты двигателя.

Электронное управление лубрикатором.

Использование в системе управления двигателем микропро­цессоров позволило решить давно назревшую проблему организа­ции смазки цилиндров. В традиционной системе, где используется механический привод лубрикаторов, ряд фирм для уменьшения подачи масла на смазку цилиндров при снижении нагрузочного ре­жима связывали механизм подачи с положением рейки топливных насосов. Но, к сожалению, не могли достигнуть синхронизации подачи с движением поршня рабочего цилиндра, а это приводило к тому, что часть поступающего из штуцеров масла попадала в цилиндр над поршнем, и при его движении вверх поршневыми кольцами переме­щалось в направлении камеры сгорания, где выгорало. Часть масла выходила из штуцеров цилиндра под поршень и при его движении вниз кольцами забрасывалось в продувочные и выхлопные окна. Идеальной считается подача в момент, когда масло выходит из шту­цера в промежуток между первым и вторым поршневыми кольцами. Тогда масло хорошо разносится по поверхности цилиндра и ранее отмеченные потери исключаются. В современной системе эта за­дача успешно решается и экономия в расходе цилиндрового масла в двигателях ME составляет свыше 0,3 г/кВт·час. Концепция новой системы смазки цилиндров с электронным управлением представ­лена на Рис. 12. Масло из цистерны цилиндрового масла поступа­ет в насосную станцию, где его давление поднимается до 4,5 МПа и направляется в индивидуальные для каждого цилиндра аккумулято­ры и далее в лубрикаторы. В станции находятся два рабочих насоса и один, автоматически включаемый в режиме stand-by. Количество лубрикаторов (1 или 2) на каждом цилиндре зависит от размеров цилиндра (количества штуцеров).

Лубрикатор (см. Рис. 13) снабжен поршнем гидроусилителя, подача масла на который осуществляется через быстродействую­щий двухпозиционный клапан, управляемый микропроцессором. Поршень приводит в движение размещенные по окружности плун­жеры насосов высокого давления, обеспечивающие подачу оди­наковых количеств масла по всем точкам смазки и, практически, в один момент времени. Количество плунжеров соответствует числу точек смазки. Лубрикатор подает масло через каждые в 4-5 или более оборотов коленчатого вала в зависимости от требуемой величи­ны подачи, выраженной в г\кВт·час. Увеличение подачи достигается увеличением частоты подач, уменьшение - наоборот. Время впрыс­ка (момент подачи) задается микропроцессором с большой точнос­тью с тем, чтобы поступление масла в цилиндр происходило в пе­риод, когда поршень своим комплектом колец находится в плоскос­ти штуцера. Продолжительность подачи укладывается в ~0,1°п.к.в. Величина создаваемого плунжерами давления в нормальных условиях составляет 4,5 МПа, при закоксовывании отверстий может существенно увеличиваться, что обеспечивает гарантированную подачу.

Система электронного управления фирмы «Вяртсиля-Зульцер»

В двигателе Зульцер с электронной системой управления, в его новой модификации RT-flex, взамен распределительных валов с их приводом, традиционных ТНВД и гидроприводов выхлопных кла­панов была применена аккумуляторная система впрыска топлива и управления выхлопными клапанами, что существенно упростило его конструкцию. В двигателе с электронным управлением привод гид­ронасосов сервомеханизмов размещен непосредственно рядом с коленчатым валом. На уровне крышек цилиндров находятся аккуму­ляторы давления масла и топлива. Там же располагаются сервопри­воды топливных насосов высокого давления и выхлопных клапанов.

Задача внедрения электронного управления заключалась в дальнейшей оптимизации рабочего процесса двигателей RTA, сокра­щении вредных выбросов с выхлопными газами и снижении удель­ного расхода топлива. Электроника позволила повысить гибкость в управлении углом опережения впрыска топлива, законом подачи топлива и их оптимизации на всем диапазоне рабочих режимов.

Также было реализовано управление фазами закрытия вы­хлопного клапана (VEC -Variable Exhaust valve Closing - Рис. 14). Более раннее закрытие клапана на режимах малых нагрузок позво­лило повысить действительную степень сжатия в цилиндрах и, тем самым, создать лучшие условия для сгорания топлива и избежать дымления.

Одним из важнейших изменений в двигателе явилось внедре­ние аккумуляторной системы топливоподачи, состоящей из ТНВД, создающего давление в 1000 бар, аккумулятора топлива и элект­ронно-управляемых клапанов, распределяющих топливо по фор­сункам (Рис. 15).

Аккумулятор представляет собой толстостенную трубу, иду­щую по всей длине двигателя на уровне крышек цилиндров, в ко­торой

размещается необходимый для впрыска объем топлива, на­ходящегося под давлением 1000 бар и устройство демпфирования возникающих в ней волн давления. Подача и сжатие топлива до от­меченного давления осуществляется в обычных ТНВД, плунжеры которых приводятся в действие многокулачковым валиком.

Из аккумулятора топливо поступает к стандартным форсункам, открытие и закрытие игл которых происходит обычным путем под давлением топлива, попадающего к каждой из них от управляюще­го клапана. Последний устанавливает момент открытия иглы, угол опережения, количество впрыскиваемого топлива и форму кривой подачи топлива (закон подачи).

Три форсунки в каждом цилиндре уп­равляются независимо одна от другой - про­граммируются на работу каждая по отдельности или по мере необхо­димости в унисон (см Рис. 15, 16, 17, 18). Управление клапаном осуществляется пос­редством микропроцес­сорной системы элек­тронного управления WECS 9500, имеющей модульное исполнение с отдельным микропро­цессором для каждого цилиндра. На эту же сис­темы возложены фун­кции контроля за всем двигателем.

Ключевыми черта­ми аккумуляторной системы топливоподачи фирмы Зульцер яв­ляются:

♦         отмеривание величины объемной подачи топлива с высокой точностью, что обеспечивает более равномерную работу дви­гателя и низкий уровень вибраций, вызываемых неуравнове­шенными силами и моментами;

♦         возможность менять форму кривой подачи (закон подачи) и величину давлений впрыска;

♦         идеально соответствует использованию тяжелых топлив с раз­личными характеристиками;

♦         обеспечивает устойчивую работу на самых малых оборотах (10-12 1/мин)

♦         полное сгорание топлива без видимых следов дыма на выхлопе. Возможность менять закон подачи топлива и, тем самым, сни­жать температуры, цикла позволили существенно снизить содержа­ние окислов азота в выхлопных газах. (см. Рис. 17).

Как уже отмечалось, электронная система включает также управление гидроприводом выхлопного клапана и системой пуска двигателя (Рис. 20).

Электронный управляемый блок гидроусилителя клапана позво­ляет для каждого клапана в широких пределах менять фазы его от­крытия и закрытия. Как уже отмечалось, фирма в целях увеличения давления сжатия в цилиндрах прибегает к сокращению продолжи­тельности открытия клапана. Благодаря этому, как видно из рис. 14.19, давление в цилиндре на частичных нагрузках существенно увеличивается, и это положительно отражается на полноте сгора­ния топлива.

Литература:

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 1. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2010.- 260 с. Стр. 190-205

MAN B&W G40ME-C9.5-TII Project Guide Electronically Controlled Two_stroke Engines