Современная техника не мыслится без самой широкой автоматизации. Двигатель внутреннего сгорания, появившийся сравнительно поздно, изначально был снабжен некоторыми автоматическими устройствами.
К примеру, вряд ли кто задумывается о том, что система газораспределения также, по строгому определению, является автоматическим устройством, работающим по принципу прямого управления с заданным алгоритмом.
В первых паровых машинах клапаны подачи и отвода пара управлялись вручную. К моменту появления ДВС паровые машины уже снабжались парораспределительным механизмом, и аналогичная система, войдя в ДВС как конструктивный элемент, не воспринимается как элемент автоматики. Аналогично тому, как паровые машины издавна снабжались автоматическими регуляторами скорости, дизельные двигатели изначально снабжались предельным регулятором, который, как мы увидим в дальнейшем, действительно необходим для их надежной работы.
За последние десятилетия автоматизация установок с ДВС шагнула далеко вперед, перейдя от отдельных автоматических устройств к комплексной автоматизации. Еще в конце 50-х годов серьезные научные журналы убеждали судовых механиков в том, что не обязательно своими глазами следить за состоянием подшипников - можно довериться приборам, контролирующим температуру и давление смазки. Сегодня, а точнее еще лет 30 назад, стали обычным делом полностью автоматизированные установки, работающие без всякого обслуживания и контроля под управлением автоматики. Дольше других "сопротивлялись" автоматизации автомобильные установки. Но теперь уже в серийном выпуске автомобили, имеющие комплексное автоматическое управление подачей топлива, газораспределением и системой наддува.
В системах автоматизации двигателей и установок с ДВС используются различные фундаментальные принципы управления, а также принципы действия - непрерывный и дискретный.
1.1. Преимущества, обеспечиваемые автоматизацией
1. Автоматическое регулирование и управление обеспечивает параметры, недостижимые при ручном управлении. Например, при ручном парораспределении частота вращения паровой машины не могла превышать
1-2 об/мин. Из более современных примеров: при ручном регулировании температуры охлаждающей жидкости рекомендовалась предельная температура не выше 70-80 °C, чтобы оставить достаточный запас, учитывающий возможную невнимательность моториста и скорость его реакции. Заниженная температура повышает механические потери, температурные напряжения в деталях, а при работе на сернистых топливах коррозию. Автоматическое регулирование температуры позволяет работать с температурой 85-90 °С, улучшая соответственно все названные параметры. Применение так называемых -зондов, сигнализирующих о наличии свободного кислорода в ОГ, в системах автоматического управления составом смеси в бензиновых двигателях, обеспечивает эффективность работы нейтрализаторов, а тем самым - минимум токсичности ОГ.
2. Повышается надежность и долговечность работы установки. Аварийно-предупредительная сигнализация контролирует возникновение нештатных ситуаций и либо устраняет их, либо предупреждает оператора, а затем останавливает двигатель.
3. Сокращается численность обслуживающего персонала. Вместо команды мотористов, обслуживающих двигатель, на автоматизированной установке остается один дежурный механик, задача которого - следить за показаниями приборов.
4. Улучшаются условия труда персонала, обслуживающего установку. Дистанционное и автоматическое управление двигателем и его системами позволяет вывести персонал из зоны работы двигателя в звукоизолированный пост управления с комфортными условиями работы.
1.2. Объекты автоматизации в установках с ДВС
1. Операции, обеспечивающие рабочий процесс двигателя: газораспределение, состав рабочей смеси в двигателях легкого топлива, угол опережения зажигания и начала подачи топлива. Как правило, эти автоматические устройства действуют по принципу прямого управления или по компенсационному принципу - по изменению возмущающего воздействия.
2. Частота вращения вала двигателя - система автоматического регулирования скорости (САРС). Система действует по принципу измерения отклонения управляемого параметра (обратной связи), иногда в комбинации с управлением по изменению возмущающего воздействия.
3. Температура охлаждающей и смазывающей жидкостей, в современных двигателях иногда - температура наддувочного воздуха (САРТ). Системы действуют также по отклонению управляемого параметра.
4. Давление наддувочного воздуха - преимущественно в транспортных двигателях, для обеспечения требуемых тяговых характеристик. Принцип действия - такой же.
Современная тенденция заключается в создании систем комплексного оптимизирующего управления, контролирующих и регулирующих все перечисленные параметры так, чтобы обеспечить их наилучшее сочетание, соответствующее требованиям к установке, чаще всего по экономичности и токсичности ОГ.
5. Управление работой установки в целом - дистанционное автоматическое управление (ДАУ). Такие системы обеспечивают работу установки без вмешательства оператора на всех режимах, включая пуск, вывод под нагрузку и остановку.
Ограниченность времени позволит нам рассмотреть более или менее детально САРС и САРТ и вкратце принципы действия и проектирования систем ДАУ.
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ
2.1. Структурная схема САРС
Система автоматического регулирования скорости предназначена для поддержания заданного значения частоты вращения 0. Ее структурная схема в самом общем виде показана на рис. 1.
Объект регулированиядвигатель 1, для которого входными сигналами являются нагрузка (момент сопротивления на валу двигателя) и управляющее воздействие (подача топлива). В зависимости от соотношения нагрузки и подачи топлива устанавливается выходная частота вращения , это регулируемый параметр. Измеритель скорости 2 вырабатывает сигнал, который сравнивается в устройстве 3 с заданной частотой 0. Разность заданной и текущей частоты вращения передается в усилительное устройство 4 и далее исполнительному устройству 5 (топливный насос), который устанавливает подачу топлива. Устройства 2, 3, 4 и 5 образуют регулятор скорости.
3. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУР СМАЗЫВАЮЩИХ И ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ
3.1. Требования к системам регулирования температуры
Современные двигатели внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением снабжаются, как правило, замкнутыми циркуляционными системами охлажде-ния и смазки. Экономичность и долговечность двигателя существенно зависят от температуры охлаждающей и смазывающей жидкостей. Низкая температура смазочного масла увеличивает механические потери в парах трения (подшипники, кольцевое уплотнение поршня и т.п.). С другой стороны, излишне высокая температура смазки может привести к потере несущей способности масляного слоя и, как следствие, к повышенному износу. Низкая температура охлаждающей жидкости так же, как и низкая температура смазки, увеличивает вязкость последней в рабочих сопряжениях и соответственно - механические потери. Кроме того, пониженная температура в полостях охлаждения повышает градиенты температур в охлаждаемых деталях и связанные с ними температурные напряжения, а также может способствовать выпадению коррозионно-опасных сернистых соединений, в особенности при работе на тяжелых топливах. При температурах, превышающих некоторый допустимый уровень, возможно образование паровых пробок в полостях охлаждения, перегрев деталей и выход двигателя из строя. Кроме того, следует иметь в виду, что повышение температуры охлаждающей и смазывающей жидкостей, увеличивая перепад температуры между охлаждаемой и охлаждающей средой, позволяет уменьшить поверхности теплообменников, в которых охлаждаются эти жидкости, что особенно важно для установок с жесткими требованиями к массогабаритным показателям. Таким образом, для каждого двигателя существует оптимальный и достаточно узкий диапазон температур охлаждения и смазки, в то время как условия подвода и отвода теплоты в двигателе и его системах широко варьируются в зависимости от режима работы двигателя и параметров окружающей среды. Из этого вытекает необходимость регулирования этих температур, которое в современных двигателях осуществляется автоматически. Наиболее низкие температуры охлаждающей жидкости (45...55 С) должны поддерживаться в разомкнутых (проточных) системах охлаждения во избежание отложения солей на охлаждаемых поверхностях. Для замкнутых открытых (сообщающихся с атмосферой) систем обычно рекомендуется температура 70...90 С. В закрытых (герметизированных) системах с повышенным давлением в полостях охлаждения, препятствующим вскипанию жидкости, температуры достигают 110...120 С, а иногда и выше. Допустимое отклонение (статическая нерав-номерность) температур не должна превышать 10...12 С. Динамическое отклонение при 100-процентном изменении нагрузки двигателя не должно быть выше 1,5 статической неравномерности при минимальной продолжительности переходного процесса (обычно не более 3...5 минут для систем охлаждения и 10...12 минут в системах смазки).
4. СИСТЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
УСТАНОВОК С ДВС
4.1. Назначение и классификация систем автоматизации
Системы комплексной автоматизации установок с двигателями внутреннего сгорания предназначены для того, чтобы обеспечить надежную и безаварийную работу таких установок при минимальном участии обслу-живающего персонала. В первую очередь автоматизируются установки, к которым предъявляются повышенные требования по эксплуатационной надежности и для которых по условиям их работы не требуется постоянное присутствие обслуживающего персонала в зоне работы двигателя. Это относится к главным судовым и вспомогательным двигателям, а также к стационарным установкам, т.е. к дизельным электростанциям, приводам буровых систем и т.п. Применительно к дизель-генераторным установкам предусматриваются три степени автоматизации
Первая степень автоматизации предполагает наличие на двигателе систем автоматического регулирования скорости и температуры охлаждающей и смазывающей жидкостей, а также предусматривает аварийно-предупреди-тельную сигнализацию и автоматическую остановку двигателя при выходе за допустимые пределы одного из следующих параметров: превышение частоты вращения, превышение температуры охлаждающей жидкости или масла, понижение давления смазки.
Вторая степень предусматривает, наряду с перечисленными видами противоаварийной защиты, автоматическую подготовку к пуску двигателя, пуск, прогрев, вывод на рабочий режим и включение под нагрузку, а также автоматическое выполнение операций при штатной и аварийной остановке двигателя.
В число операций, автоматически выполняемых при третьей степени автоматизации, включаются, помимо операций, предусмотренных для двух предыдущих степеней, также автоматическое обслуживание систем двигателя, т.е. автоматическое пополнение расходных емкостей, зарядка аккумуляторов или баллонов пускового воздуха.
Установка, автоматизированная по третьей степени автоматизации, может работать без участия обслуживающего персонала в течение 1012 суток.
Более высокие уровни автоматизации предусматривают дополнительно к перечисленным автоматическое управление установкой, включающей несколько двигателей, а также автоматическую безразборную диагностику работоспособности двигателя, его узлов и систем.
Двигатель, включаемый в состав автоматизированной установки, должен отвечать некоторым специфическим требованиям:
системы, обслуживающие двигатель, должны быть тщательно доведены применительно к условиям работы данной установки; в частности, должна быть полностью исключена возможность образования воздушных и паровых пробок;
автоматизируемый двигатель должен обладать достаточно высокими пусковыми качествами; с этой точки зрения предпочтительны двигатели с открытыми камерами сгорания; если пусковые свойства признаются недостаточными, например, в случае автоматизации установки с предкамерным двигателем, следует предусмотреть установку свечей накаливания; для облегчения пуска можно использовать также легковоспламеняемые топлива и смазочные масла с пониженной вязкостью;
должно быть предусмотрено устройство для экстренной остановки двигателя в случае зависания плунжеров, заедания рейки и т.п.; наиболее надежным средством остановки двигателя является прекращение подачи воздуха с помощью специальной заслонки (захлопки).
4.2. Основные элементы систем автоматизации
Из описания операций, выполняемых в автоматизированной установке, ясно, что в системе автоматизации предусматриваются следующие устройства:
1. устройства, обеспечивающие контроль за текущими значениями параметров двигателя и его систем, обработку этих данных по определенной программе, выработку управляющих сигналов и передачу их устройствам, управляющим двигателем;
2. устройства, информирующие обслуживающий персонал о работе системы в штатном режиме и о возникновении нештатных ситуаций.
Соответственно в систему автоматизации входят (рис. 77):
управляемый объект 1, т.е. двигатель с его системами и приводным агрегатом;
система датчиков 4, измеряющих контролируемые параметры, и задающих устройств 2, вводящих с пульта управления двигателем сигналы о требуемом изменении режима работы;
преобразующее устройство 3, анализирующее сигналы, поступающие от датчиков и задающих устройств, и вырабатывающее команды для исполнительных устройств и элементов сигнализации;
исполнительные устройства, осуществляющие изменения режима работы объекта и его элементов, и элементы сигнализации, предназначенные для информирования обслуживающего персо-нала.
Датчики, задающие, исполнительные устройства и элементы сигнализации по принципу действия подразделяются на аналоговые, в которых измеряемый или задаваемый параметр представляется в виде некоторой физической величины, пропор-циональной исходному параметру, цифро-вые, где исходный параметр представляется в виде того или иного цифрового кода, и двухпозиционные, фиксирующие только одно из двух состояний измеряемой или задаваемой величины (больше-меньше, да-нет, включено-выключено). По физическому принципу преобразования входной величины в выходную они могут быть механическими, пневматическими, гидравлическими или электрическими.
Преобразующее устройство может быть выполнено в виде цифровой вычислительной машины либо как управляющее логическое устройство (УЛУ). Последнее, в зависимости от выполняемых задач, может быть либо комбинационным, либо последовательностным. В первом случае выраба-тывается сигнал, зависящий только от сочетания входных параметров, во втором УЛУ учитывает также последовательность поступления сигналов (текущее состояние системы управления).
По принципу действия УЛУ может быть выполнено на базе релейно-контактных элементов либо бесконтактным, в том числе с использованием микросхем.
Современные системы автоматического управления строятся только на бесконтактных элементах, однако далее мы будем изучать релейно-контактные устройства как более наглядно иллюстрирующие действие и принципы построения таких систем. В качестве примера рассмотрим простую систему противоаварийной защиты.
Система содержит двухпозиционные датчики температуры охлаждающей жидкости (рис. 78, а), температуры и давления смазки
(рис. 78, б), частоты вращения (рис. 78, в). В датчиках температуры (D1, D2) использован манометрический принцип измерения, т.е. в термоприемнике, помещенном в потоке жидкости, формируется давление, пропорциональное температуре. Это давление передается сильфону, перемещающему упор, который при некоторой, заранее определенной температуре действует на реле, имеющие нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакты. Сильфон датчика давления D3 воспринимает непосредственно давление смазочного масла. В датчике частоты вращения D4 использован центробежный измеритель скорости с отрицательным фактором устойчивости. Благодаря этому при
превышении допустимой скорости, когда центробежная сила превысит восстанавливающую силу пружины, муфта и связанный с ней упор перемещаются на полную величину хода независимо от того, велико ли это превышение.
В число исполнительных устройств входят:
воздушная захлопка (рис. 79, а), которая удерживается в открытом положении упором, связанным с сердечником электромагнита, который втягивается при замыкании контактов К1 и К2; захлопку поворачивает пружина, действующая на ось захлопки;
ревун, подающий звуковой сигнал при замыкании контактов К3 и К4
(рис. 79, б);
сигнальные лампы: зеленая, которая горит при нормальном режиме работы двигателя, и красные, которые загораются при выходе за допустимый предел одного из контролируемых параметров (рис. 79, в).
Схема управляющего логического устройства (УЛУ) показана на рис. 80. При замыкании любой пары нормально разомкнутых контактов датчиков D1, D2, D3 или D4 подается питание на катушку одного из реле I РИ, II РИ, III РИ или IV РИ. При этом замыкающиеся контакты I РИ 2, II РИ 2 обеспечивают питание катушек I РИ, II РИ независимо от состояния датчиков D1 и D2.
Для отключения этих катушек требуется отключить питание схемы. Необходимость такого устройства памяти вытекает из большой тепловой инерции систем охлаждения и смазки, в то время как датчики давления и скорости срабатывают почти мгновенно. При подаче питания на одну из катушек замыкается один из нормально разомкнутых контактов I РИ 1, II РИ 1, III РИ 1 или IV РИ 1, включенных параллельно и образующих ячейку "ИЛИ". При этом запитывается катушка контактора (силового реле) К, которое замыкает контакты К1, К2, К3 и К4 исполнительных устройств. Одновременно размыкается один из нормально замкнутых контактов I РИ 3, II РИ 3, III РИ 3 или IV РИ 3, включенных последовательно и образующих ячейку "И" (запрет), и замыкается один из контактов I РИ 4, II РИ 4, III РИ 4 или IV РИ 4. Размыкание любого из контактов ячейки "запрет" выключает зеленую лампу ЗЛ, указывающую на нормальную работу объекта. Замыкание одного из контактов последней группы включает одну из красных ламп КЛ, которые указывают, какое нарушение работы двигателя и его систем вызвало включение аварийно-предупредительной сигнализации.
Заключение.
На сегодня развитие средств автоматизации является магистральным направлением в совершенствовании ДВС. В то время как практически исчерпаны возможности совершенствования двигателей путем внесения изменений в их конструкцию, именно автоматизация открывает новые перспективы улучшения экономических и экологических показателей двигателей, их надежности и долговечности.
В том же направлении - комплексной и всеобъемлющей автоматизации - развиваются системы управления установками с ДВС. Для наземных транспортных систем речь идет о согласованном управлении движением транспортного средства и параметрами двигателя. Для стационарных и судовых установок реальностью стали уже системы, объединяющие управление работой приводимого агрегата, двигателя и его систем, а также диагностику технического состояния на основе компьютерного оптимизирующего управления.
Бесспорно, решение задач будущего потребует от специалиста не только знаний, изложенных в данном курсе, но и владения принципами электроники, работы с компьютерной техникой и ее программированием.
