И температуры забортной воды

 

Применение наддува значительно повышает удельную мощность двигателя. Наддув осуществляется газотурбонагнетателями (ГТН), работающими от энергии выпускных газов к приводящих во вращение компрессор наддува. Изменение температуры и давления атмосферного воздуха влияет на КПД, тепловую напряженность дизеля и количество воздуха наддува. Потеря мощности дизеля при повышении температуры составляет 2-4% на каждые 10°С свыше 20°С. При пониженной температуре воздуха затрудняется пуск двигателя, появляется дымный выпуск, ухудшается динамика цикла, снижается экономичность и увеличивается износ двигателя.

Оптимальные стабильные значения температуры воздуха для различных режимов работы двигателя независимо от изменения климатических условий достигаются лишь при наличии специальной системы автоматического регулирования. В связи с этим температуру продувочного воздуха в ресивере целесообразно поддерживать на определенном заданном уровне для всех режимов работы ГД. Например, для мощных МОД при давлении в ресивере 0,17 МПа температура продувочного воздуха поддерживается с помощью терморегулятора порядка 38°С. Регулированием температуры наддувочного воздуха можно также стабилизировать коэффициент избытка воздуха и предотвратить конденсацию влаги в воздушных ресиверах дизелей. На автоматизированных судах применяются как регуляторы температуры наддувочного воздуха, так и регуляторы, стабилизирующие заданную разность температур наддувочного воздуха и точки росы. Следует отметить, что инерционность ГТН весьма значительна, поэтому при разных изменениях нагрузки дизеля давление наддувочного воздуха р _н и температура   могут первоначально не соответствовать требуемой мощности.

При резком перемещении рукоятки МТ в сторону увеличения топливоподачи (или увеличения нагрузки за счет разворота лопастей ВРШ) и отсутствии защиты дизеля по давлению наддува мощность его также резко увеличится, и появится несоответствие между топливоподачей и давлением наддува. При этом могут иметь место отмеченные выше явления, в том числе и перегрузка дизеля. Если же существует защита дизеля по давлению наддува, то мощность дизеля не будет увеличиваться, т.е. будет соответствие между топливоподачей и давлением наддува. Однако при необходимости быстрого увеличения мощности ГД и соответственно скорости судна, например при маневрировании в акватории порта, из-за защиты по давлению наддува может возникнуть аварийная ситуация.

Снижение температуры забортной воды ниже требуемого значения приводит к переохлаждению регулируемых потоков и усилению конденсации паров воздуха на трубопроводах машинного отделения. Регулирование производится за счет добавления части теплой воды, сливаемой за борт, в приемную часть насоса забортной воды. Регулирование осуществляется путем перепуска забортной воды, прошедшей охладитель (рисунок 3.3, в).

Вопросы для самопроверки:

 

1. Для чего необходимо регулирование температуры надувочного  воздуха?

2. Какие регуляторы температуры надувочного воздуха применяются 

на современных дизелях?

 

 

Регуляторы температуры

 

Для регулирования температуры охлаждающей воды применяют регуляторы в основном статического типа прямого или непрямого действия с регулируемым статизмом. В конструкции терморегуляторов должна быть предусмотрена возможность ручного управления регулируемым объектом.

Системы автоматического регулирования температуры должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- поддержание температуры воды на выходе из дизеля со статизмом порядка 15% (но не более 6-10°С);

- нечувствительность не выше 2% (но не более 1-2°С);

- при изменении нагрузки от 100 % до холостого хода переходный процесс должен быть апериодическим с перерегулированием не выше 5% (но не превышающим 6°С);

- время регулирования t_p при полном сбросе или на сбросе нагрузки не должно превышать 20 мин для ГД и 10 мин для ВД;

- система терморегулирования должна быть оборудована специальным аварийным устройством, автоматически обеспечивающим отвод тепла от двигателя при выходе из строя регулятора, а также по сигналу от системы автоматической защиты.

Следует отметить, что, несмотря на сложность аналитического описания динамики теплообменных аппаратов, их автоматическое регулирование представляет собой достаточно простую задачу, за исключением тех случаев, когда требуется высокая точность регулирования. Разработанные упрощенные методы анализа динамических характеристик или экспериментально установленные переходные характеристики (функции) позволяют достаточно надежно и просто решать практические задачи по созданию САРТ.

Большинство регуляторов температуры являются статическими, пропорциональными, с изменяющимся статизмом (в регуляторах непрямого действия). Однако на судах, предназначенных для плавания в высоких широтах (теплоходах типа «Норильск») регулирование температуры забортной воды осуществляется астатической системой на базе ПИ-регулягора.

На судах морского флота применяются регуляторы разного типа в системах охлаждения и смазки ГД и ВД. Распространены регуляторы температуры прямого действия отечественного производства тиков ТПД, РТПД, РТП, ТРМ и зарубежного, типов АКО — «Опладен» (Германия), «Мертик» и «Самсон» (Германия), «Валтэн» (Англия).

Регуляторы различаются по используемым в них чувствительным элементам (ЧЭ)—термоэлементам. Так, в ряде регуляторов, например, типа АКО — «Опладен», термочувствительный элемент состоит из латунного баллона, заполненного жидким наполнителем, меняющего свой объем в зависимости от температуры, что далее преобразуется непосредственно в перемещение регулирующего клапана. Подобное устройство встречается в других терморегуляторах прямого действия с жидким наполнителем.

Встречаются регуляторы с твердым заполнителем термочувствительной системы. К таким регуляторам относятся «Мертик», «Волтэн». Эти регуляторы имеют ЧЭ объемного типа, заполненного смесью воска и красномедного порошка.

Регуляторы непрямого действия по сравнению с регуляторами прямого действия обладают лучшими статическими и динамическими характеристиками. Распространение получили отечественные регуляторы непрямого действия типов ТРП, РТНД, РТНД-М и зарубежные, например, фирмы «Плайгер» (Германия). Эти регуляторы пневматические, статические, с регулируемым статизмом (за счет настройки ЖОС). Требуемый температурный уровень настраивается в диапазоне 10-20°С. Давление питающего воздуха 0,15-0,2 МПа. Для поддержания не только температуры режимов, но и других заданных параметров (давления пара, уровня воды в котле, вязкости топлива) применяется регулятор GRW «Тельтов» (Германия). Это регулятор пневматический, питаемый сжатым воздухом 0,14 МПа с. ПИ-преобразователем с отрицательной изодромной связью и положительной ЖОС. Положительная ЖОС введена в преобразователь для уменьшения либо сведения к нулю его статической неравномерности (в этом случае преобразователи являются астатическими). Отрицательная изодромная обратная связь повышает динамическую устойчивость САР,

На судах промыслового флота получили распространение такие регуляторы, как терморегулятор ТПД-60, прямого действия, статический, предназначенный для охлаждения двигателей мощностью до 600 кВт; терморегулятор Z-40 фирмы Келле, непрямого действия, с изодромной обратной связью; терморегулятор ТРП-125, непрямого действия, статический, а также регуляторы РТНД, «Плайгер».

 

Вопросы для самопроверки:

 

1. Каким основным требованиям должны удовлетворять системы автоматического

регулирования температуры?

2. Какие чувствительные элементы применяются в системах охлаждения

и смазки ГД и ВД?

 

Электронные регуляторы

 

Развитие полупроводниковой микропроцессорной техники, повышение их надежности позволило создать ряд электронных приборов для систем управления и регулирования параметров дизеля и заменить ими традиционно исполняемые механические регуляторы. Электронные регуляторы (ЭР) применяются для регулирования частоты вращения дизеля, топливоподачи для терморегулирования, а также используются для оптимизации подачи топлива на каждом режиме работы, включая переходные процессы, уменьшая общий расход топлива, снижая токсичность и дымность выпускных газов. Электронные регуляторы изменяют цикловую подачу и начало подачи топлива, осуществляя управление впрыскиванием топлива. Разработаны и применяются на судах ЭР нагрузки установок с ВРШ, регуляторы распределения нагрузок между параллельно рябо-тающими дизелями. Появились новые типы ЭР и датчиков, используемых всистемах управления и контроля дизелей: ЭР температуры, датчики положения рейки ТНВД (датчики топливоподачи), датчики моментов, частоты вращения и др.

К преимуществам электронных регуляторов следует отнести их универсальность. Один и тот же регулятор путем незначительных изменений может быть использован, например, не только для регулирования частоты вращения, но и любого другого параметра. Регулятор температуры может быть использован и как регулятор давления и т. д.

Электронные регуляторы преобразуют поступающую исходную информацию в управляющие сигналы. Вход такого прибора соединен с датчиком регулируемого параметра через калибровочное устройство, формирующее стандартный аналоговый или дискретный сигнал независимо от физической природы протекающего процесса. На выходе прибора формируется также стандартный электрический сигнал, поступающий на входной преобразователь последующего звена, который также может быть любым: электрическим усилителем (магнитный, электронный, микропроцессорный и т.п.), электропневматическим или электрогидравлическим преобразователем и т.п., в зависимости от типа использующихся исполнительных механизмов (сервомеханизмов).

Благодаря такому подходу ЭР является унифицированным прибором, который может быть использован в контурах управления различных ОУ, с медленно или быстро протекающими процессами.

Электронное управление имеет запоминающее устройство (ЗУ), в котором накапливается информация для оптимизации и адаптации процессов управления. Так, использование ЗУ позволило, проанализировать экспериментальное исследование взаимосвязи расходов топлива и токсичности газов на различных режимах работы, теплонапряженности деталей и узлов дизеля и т. д.

С помощью ЭР можно реализовать любой закон регулирования. Они компактны и могут быть установлены на любом расстоянии от объекта управления. ЭР может играть роль дополнительного регулятора, работающего только в динамических режимах.

Электронные регуляторы отличаются надежной работой при низких температурах, а также возможностью непосредственно соединять с электрическими датчиками и ЭВМ. К достоинствам ЭР можно также отнести отсутствие сложной механической кинематики в измерительной части, простоту операций изменения настроечных параметров, возможность поиска оптимальных вариантов настройки и оперативного перепрограммирования ограничительных характеристик ГД; большую информационность рабочих процессов, обеспечение двух скоростей перемещения рейки ТНВД, возможность непрерывного контроля переходных процессов топливоподачи и частоты вращения ГД.

 

Рисунок 3.6 - Структурная схема электронного регулятора частоты вращения

 

На рисунке 3.6 показана структурная схема электронного регулятора. На входе исполнительного устройства (усилителя), содержащего исполнительный и управляющий элементы, может формироваться любой закон управления, с возможным изменением коэффициента усиления пропорциональной части k _п в широких пределах и постоянных времени интегрирования Т_и и дифференцирования Т_Д. Перед усилителем может находиться переключатель управления на автоматическое, ручное, дистанционное. Электрический сигнал передается практически без запаздывания. Однако применение ЭР с электрическим исполнительным механизмом, быстродействие которого меньше, а инерция больше, чем у пневматического сервомеханизма, не всегда возможно. Для увеличения быстродействия совместно с ЭР часто используются пневматические ИМ, а, следовательно, необходимо применение электропневмопреобразователя (ЭПП).

На практике применяются электрические автоматические регуляторы, позиционные (релейные), непрерывного действия, импульсные и цифровые. Позиционные регуляторы могут быть встроенными в первичные или вторичные приборы в виде определенных аппаратов (регуляторы и сигнализаторы). Электронные регуляторы непрерывного действия (аналоговые) позволяют получить любой закон регулирования и широко распространены в судовой практике. Импульсные ЭР создаются, как правило, на базе позиционных с добавлением ступенчато-импульсных преобразователей. Различают двух- и трехпозиционные регуляторы, реализующие ПИ- и ПИД-законы регулирования. Цифровые ЭР создаются на основе микропроцессоров (МКП) и виде программируемых контроллеров (ПК) — устройств переработки цифровой информации, предназначенных для совместной работы с техническими системами. Программируемый контроллер — это специализированная микро-ЭВМ (управляющая ЭВМ), работающая в реальном масштабе времени по программам, размещенным в постоянном запоминающем устройстве.

Цифровые ЭР также могут реализовывать различные законы регулирования. В комплекте с ЭР работают термопары, термометры сопротивления и другие преобразователи.

 

Рисунок 3.7 - Схемы типовых регуляторов: а - П-регулятор; 6 - ПИ-регулятор; в - ПИД-регулятор

 

В судовых САУ широко применяют регуляторы с типовыми законами управления на базе операционных усилителей. На рисунке 3.7 приведены схемы типовых регуляторов, реализующие П-, ПИ-, ПИД-законы управления с передаточными функциями:

П-регулятор

,                                              (3.11)

      где k _П = R ₂ / R ₁;

ПИ-регулятор

                                       (3.12)

      где k _ПИ = R ₂ / R ₁; T _ПИ = R ₂ C ₁;

ПИД-регулятор

,                                        (3.13)

       где .

Для уменьшения искажений и ПИД - законе управления, вносимых составляющей R ₃ С₁ рекомендуется соблюдать условия R ₂ С₁+ R ₃ С₂ ≥ R ₃ С₁,что выполняется при R ₂ ≥ R 3. Параметры элементов цепей обратных связей рассчитываются по заданным значениям , которые в свою очередь определяются из условия оптимизации контуров САУ.

В настоящее время на судах все больше применяются ЭР различного назначения - управления, контроля и сигнализации. В качестве примера приведем следующие электронные регуляторы, применяемые на судах:

- релейный электронный сигнализатор уровня ЭСУ-1 для контроля и регулирования уровня жидкости и сыпучих сред аппаратах, работающих под давлением;

- электронный импульсный регулятор с ПИ-законом регулирования фирмы «Плайгер» типа 362, предназначенный для использования на объектах с медленно протекающими процессами;

- цифровой электронный регулятор с микропроцессором и ПИД-законом регулирования NAF ЕСА 30, используемый для автоматического регулирования различных процессов судовых энергетических установок — давления, частоты вращения, вязкости, температуры и т.п.;

- электронное управление впрыском топлива в цилиндры дизелей фирмы МАН; блок выполняет также функции РЧВ;

- регулятор EG фирмы «Вудвард» электрогидравлического типа, регулятор фирмы «Барбер Колман» (Германия).

Рассмотрим некоторые типы электронных регуляторов, применяемых в судовых САУ.