Меню раздела

Автоматические регуляторы прямого действия


Автоматические регуляторы прямого действия устанавливают на быстроходных двигателях малой и средней мощности.
Автоматические регуляторы частоты вращения (угловой скорости) прямого действия используют в качестве предельных, двухрежимных, всережимных и прецизионных.
Предельные регуляторы включаются в работу только при превышении валом двигателя номинальной угловой скорости. Для этого пружину 1 регулятора (рис. 283) устанавливают с такой предварительной деформацией, которая обеспечивает начальную силу пружины, достаточную для преодоления центробежных сил грузов 3 на всех скоростных режимах до номинального включительно. При превышении номинальной угловой скорости муфта 2 перемещает рейку 8 в сторону уменьшения подачи топлива независимо от положения рычага 5 управления. Крутящий момент двигателя при этом изменяется в соответствии с регуляторными характеристиками.
Регулирование двух скоростных режимов в транспортных условиях может быть осуществлено двухрежимным регулятором с пружинами, установленными с различными предварительными деформациями.
Всережимные механические регуляторы имеют переменную или постоянную предварительную (начальную) деформацию пружин.
К первому типу относят регулятор топливного насоса УТН-5 и регуляторы, устанавливаемые на дизелях 64 15/18 и ЯМЭ-238 и др. При повороте рычага в сторону минимальной предварительной деформации пружины устанавливается наименьшая сила ее натяжения. При частоте вращения центробежная сила грузов уравновешивает силу минимальной предварительной деформации пружины, поэтому при дальнейшем увеличении частоты вращения пружина растягивается и рейка перемещается в сторону выключения подачи топлива. Если необходимо повысить частоту вращения, рычаг поворачивают, увеличивая предварительную деформацию пружины (или пружин) регулятора. В зависимости от выбранного положения рычага 7 деформация пружин под действием центробежных сил грузов может начаться в точках или В и т.д., которые будут являться начальными точками новых регуляторных характеристик 6 и 7. Максимальная предварительная деформация пружин рассчитана так, что растяжение их под действием центробежных сил начинается только при достижении номинальной частоты вращения .
Недостатком всережимных регуляторов с переменной предварительной деформацией пружин является то, что иногда большая сила пружин нагружает весь механизм регулятора.
От этого недостатка свободны всережимные регуляторы с постоянной предварительной деформацией пружины. Кинематическая связь муфты с рейкой рассчитана таким образом, что при полном ходе рейки Сп — Сл (рис. 286, в) муфта/7 проходит только часть своего хода (В2 — Вх, В2 — Въ, В4 - В5). При необходимости увеличить регулируемую угловую скорость рычаг 19 управления и связанный с ним рычаг 1 (ОА) следует повернуть так, чтобы рычаг 9 повернулся относительно опоры 3 и переместил рейку поводком 13 в сторону увеличения подачи топлива. При этом регулируемая угловая скорость увеличится, так как для перемещения рейки в сторону выключения подачи топлива центробежные силы грузов 16 должны увеличиваться. преодолевая усилие пружины регулятора.
Максимальный и минимальный регулируемые режимы (регуляторные характеристики) ограничиваются упорами соответственно 21 и 22. Возможность поворота рычага 19 для установления таких режимов при соприкосновении с одним из упоров сектором 20 без деформации пружин 6 и 7 обеспечивается наличием в механизме управления (рис. 286,6) пружины 2, которая в этих случаях деформируется, и рычаг 1 временно отстает при повороте от рычага 19. Это отставание исчезает по мере достижения грузами 16 заданной угловой скорости. При этом пружины деформируются под действием центробежных сил грузов 16, а не при повороте рычага.
При малых скоростных режимах работает только наружная пружина 7 [рис. 286, в, участок Вх — В3 или 1-2 характеристики Е = /(г)]. Затем при больших скоростных режимах включается в работу внутренняя пружина 6 [участок В3 — В5 или 2-3 характеристики Е = /(г)]. Такое постепенное включение в работу пружин регулятора обеспечивает требуемую точность поддержания регулятором заданного скоростного режима в широком диапазоне. значений частоты вращения коленчатого вала.
На транспортных дизелях иногда применяют пневматические всережимные регуляторы. К недостаткам таких регуляторов следует отнести создаваемое дроссельной заслонкой дополнительное сопротивление на впуске, которое несколько снижает коэффициент наполнения двигателя.
Увеличению количества токсических составляющих, содержащихся в отработавших газах двигателей, способствует применение автономного газотурбинного наддува. Турбокомпрессор имеет значительно большую инерционность, чем топливоподающая аппаратура. Поэтому при повышении нагрузки автоматический регулятор скорости достаточно быстро реагирует на изменение режима работы и увеличивает цикловую подачу топлива, в то время как турбокомпрессору требуется больше времени для приведения цикловой подачи воздуха в соответствие с цикловой подачей топлива.
Рассогласование подач топлива и воздуха приводит к неполноте сгорания топлива и, как следствие, к увеличению токсических компонентов в отработавших газах. В связи с этим возникла необходимость автоматического согласования подач воздуха и топлива.
Решается эта задача двумя путями. Первый из них предусматривает при увеличении нагрузки дополнительную интенсификацию разгона ротора турбокомпрессора 1-2 в результате подачи сжатого воздуха из баллона 6 через сопла 3 на лопатки компрессора. Импульс изменения нагрузки воспринимается в таких системах специальным датчиком, который через усилитель (трансформатор) вырабатывает командный сигнал, замыкающий или размыкающий контакты реле для включения или выключения электромагнита 5 и связанного с ним клапана 4, управляющего подачей воздуха из баллона 6 к соплам 3. Однако не всегда необходимо стремиться к интенсификации увеличения подачи воздуха в соответствии с повышением цикловой подачи топлива, тем более, что это приводит к необходимости дооборудования силовой установки такими новыми элементами, как баллон 6, периодически заполняемый сжатым воздухом, клапан 4 и др. В тех случаях, когда не требуются высокие динамические качества двигателя, можно использовать второй путь - замедление роста цикловой подачи топлива до согласования с количеством воздуха, подаваемого турбокомпрессором. Для осуществления этой задачи автоматический ч регулятор скорости (рис. 287,6) дополняют чувствительным элементом 8 давления. При повышении нагрузки снижается частота вращения коленчатого вала и, следовательно, грузов 12 чувствительного элемента 7 скорости. Рычаг 11 под действием пружины 13 при заданном положении рычага управления поворачивается против часовой стрелки и через рычаг 10 перемещает рейку 9 вправо-в сторону увеличения цикловой подачи топлива. Однако положение точки Л опоры рычага определяется чувствительным элементом 8 давления наддува рк: чем меньше рк, тем левее точка А, определяющая диапазон перемещения рейки 9 при повороте рычага 11. 1Го мере разгона ротора турбокомпрессора точка А перемещается вправо и цикловая подача топлива увеличивается, однако коэффициент избытка воздуха не уменьшается.
В настоящее время значительно повысился интерес к созданию для двигателей внутреннего сгорания электрических и электронных регуляторов частоты вращения.
Датчиком частоты вращения в таком регуляторе может служить тахогенератор 2, ротор которого жестко связан с кулачковым валом топливного насоса. При снижении нагрузки и увеличении частоты вращения тахогенератор подает сигнал в электронный блок управления 6. В этот же блок подается сигнал У0, задающий скоростной режим. В результате сравнения сигналов от тахогенератора и сигнала У0 в электронном блоке 6 вырабатывается управляющий сигнал, воспринимаемый исполнительным механизмом в виде электромагнита 4, сердечник которого жестко связан с рейкой 3 топливного насоса 2. Устойчивость задаваемых режимов обеспечивается обратной связью, создаваемой потенциометром 5 в зависимости от положения рейки 3, определяемого ползунком потенциометра.
Электронный блок 6 позволяет корректировать управляющий сигнал по некоторым другим параметрам, учет которых повышает качество работы системы автоматического регулирования. К числу таких сигналов можно отнести следующие: -поддерживающий требуемый статизм регуляторной характеристики; У2-обеспечивающий требуемый наклон корректорной ветви внешней скоростной характеристики; У3 - обеспечивающий обратный наклон внешней характеристики при скоростных режимах, меньших скоростного режима при максимальном крутящем моменте; ^-обусловливающий меньший наклон регуляторной характеристики на режимах, близких к режиму холостого хода; У5 -учитывающий давление наддува или давление внешней среды; У6 -учитывающий температуру внешней среды и т. д. Электронный блок 6 по определенной программе суммирует все поступающие сигналы и на их основе корректирует управляющее воздействие на топливный насос.
В некоторых электронных системах управления в качестве управляемого объекта выбирают не топливный насос высокого давления, а непосредственно форсунку, игла которой связана с сердечником электромагнита.
Применение микропроцессоров для формирования электронных блоков управления делает их более компактными и обеспечивает при выработке управляющего воздействия выполнение достаточно сложных вычислений для оптимизации процессов регулирования. Повышение надежности и качества элементов, входящих в электрические (электронные) регуляторы, позволит значительно расширить их применение для автоматического регулирования двигателей.
Для регулирования угловой скорости коленчатого вала можно использовать зависимость давления топлива после подкачивающего насоса от угловой скорости ротора. При увеличении угловой скорости давление топлива в канале возрастает, груз-золотник 2 смещается, что приводит к повышению давления топлива в полости и рабочем цилиндре регулятора. Поршень 7 смещается, деформируя пружину 8, и перемещает дозирующий орган 10 топливного насоса в сторону уменьшения подачи топлива. Возможность изменения предварительной деформации пружины 8 рычагом 9 управления делает этот регулятор всережимным.
Для исключения зависимости настройки скоростного режима двигателя от вязкости рабочей жидкости (т. е. от ее температуры) в гидравлическом регуляторе используют груз-золотник, который при уменьшении или увеличении вязкости топлива автоматически изменяет проходные сечения каналов Б и В таким образом, что давление топлива в полости А поддерживается только в зависимости от скоростного режима двигателя.
Прецизионными регуляторами прямого действия называют такие регуляторы, которые обеспечивают высокую точность поддержания заданного скоростного режима. В качестве примера рассмотрим регулятор Р-11М. Регулятор имеет устройство, допускающее изменение наклона регуляторной характеристики. К верхней части рычага 4 присоединен поводок, связанный со специальной дополнительной пружиной, положение которой определяется рычагом 17. При горизонтальном положении пружины 18 ее приведенная жесткость суммируется с жесткостью пружины 6, что вызывает увеличение изменения частоты вращения в пределах одной регуляторной характеристики. По мере поворота пружины 18 из горизонтального положения в вертикальное ее жесткость, приведенная к муфте, уменьшается, а регуляторная характеристика приближается к вертикальной линии. В связи с этим появляется опасность неустойчивой работы системы. Чтобы избежать этого, регулятор Р-11М имеет упруго присоединенный катаракт.
При движении рычага 4 поршень 11 катаракта отстает, поэтому приведенная к муфте жесткость пружины 10 суммируется с жесткостью пружины 6. Это обеспечивает временное повышение суммарной жесткости пружин и, следовательно, временное увеличение отклонения регуляторной характеристики от вертикальной линии, что способствует повышению устойчивости заданного режима. После окончания процесса регулирования поршень 11 постепенно перемещается в положение, при котором пружина 10 не нагружена, и действие катаракта прекращается. Регуляторы такого типа устанавливают на дизель-генераторах.
Стремление увеличить скорость срабатывания регулятора обусловливает в некоторых случаях применение одновременно с регулированием по скорости (частоте вращения) других принципов регулирования и, в частности, регулирования по ускорению или по нагрузке.
Совместное регулирование в зависимости от изменений угловой скорости и углового ускорения может быть осуществлено при помощи чувствительного элемента, обладающего свойством двойного импульса (по скорости и ускорению). Импульс по ускорению появляется вследствие введения угла (а>0°) скоса прорези в звездочке (траверсе) 1. Например, при ускорении скошенные пазы звездочки воздействуют на грузы 2 таким образом, что перемещают их в сторону увеличения радиуса вращения.
Функции автоматического регулятора иногда выполняют узлы или детали, органически входящие в конструкцию топливного насоса. Эти узлы называют встроенными регуляторами.
На рис. 292 показана схема предельного дроссель-регулятора, используемого на карбюраторных двигателях с повышенной предельной угловой скоростью. Воздух, проходящий через впускной трубопровод, воздействует на скошенную поверхность дроссельной заслонки 8, вследствие чего возникает момент, стремящийся закрыть ее. Противодействующий момент создается пружиной 3.
Для регулирования температуры охлаждающей воды в качестве автоматических регуляторов прямого действия применяют термостаты. По мере увеличения температуры воды, выходящей из головки цилиндров двигателя, сильфон 3 деформируется изменяя расход воды через сечение, открываемое клапаном.