Каждый автоматический регулятор имеет чувствительный элемент, предназначенный для измерения регулируемого параметра. Если чувствительный элемент кинематически непосредственно связан с органом управления двигателем, то регулятор называют регулятором прямого действия. Такие регуляторы устанавливают на дизелях автотракторного типа.

Сила, развиваемая вращающимися грузами, через муфту и рычаг передается пружине, работающей на растяжение. Другим концом пружина связана с рычагом управления, поворотом которого можно изменять задаваемый скоростной режим работы двигателя. В связи с этим регулятор называют всере-жимным.

На топливном насосе УТН-5 устанавливают регулятор, обеспечивающий во время пуска двигателя повышенную цикловую подачу топлива при помощи пружины обогатителя. При малой частоте вращения в процессе пуска сила пружины достаточна, чтобы удерживать рейку насоса в положении максимальной подачи топлива. После пуска двигателя при определенной частоте вращения грузы развивают силу, достаточную для деформации пружины и перемещения рейки в положение, соответствующее внешней характеристике двигателя.

Дальнейшее уменьшение цикловой подачи топлива с целью получения регуляторной характеристики возможно только при совместной деформации пружин.

Автоматические регуляторы увеличивают габаритные размеры и массу топливо-подающей аппаратуры, что особенно заметно у топливных насосов распределительного типа. В связи с этим такие топливные насосы часто оборудуют более компактными встроенными регуляторами, составляющими с топливным насосом один агрегат.

Автоматические регуляторы прямого действия обеспечивают статическую регуляторную характеристику двигателя, т. е. поддерживают заданный режим в пределах определенного диапазона изменения регулируемого параметра.

Процесс автоматического регулирования может осуществляться путем измерения других параметров, которые зависят от частоты вращения коленчатого вала. К таким параметрам относятся вакуум во впускном трубопроводе двигателя или давление топлива (или масла) после подкачивающего насоса. На этой основе созданы пневматические и гидравлические регуляторы.

Пневматический регулятор прямого действия показан на рис. 3. Впускной трубопровод двигателя трубкой соединен с замкнутой полостью чувствительного элемента, отделенной мембраной 9 от объема, связанного с атмосферой. Мембрана непосредственно связана с рейкой топливного насоса. Автоматическое перемещение рейки осуществляется только при изменении степени вакуума во впускном трубопроводе. При повышении вакуума (т. е. частоты вращения) рейка перемещается в сторону выключения подачи топлива, а частота вращения вала, при которой начинается деформация пружины, определяется положением дроссельной заслонки 1: чем больше она открыта, тем при большей частоте вращения начинается уменьшение подачи топлива и работа двигателя по регуляторной характеристике.

Для повышения устойчивости работы регулятора при минимальных скоростных режимах двигателя, близких к холостому, упор регулятора устанавливается на дополнительную пружину.

В процессе эксплуатации двигателей было отмечено, что настройка пневматического регулятора на номинальный скоростной режим со временем изменяется в сторону уменьшения частоты вращения. Такое явление объясняется постепенным засорением фильтрующих элементов в воздухоочистителе и повышением в связи с этим вакуума во впускном трубопроводе. Вследствие этого пневматические регуляторы стали оборудовать атмосферной трубкой, связывающей атмосферную камеру регулятора с впускным трубопроводом.

Автоматические регуляторы непрямого действия устанавливают на двигателях большой мощности (стационарных, судовых, тепловозных); в их конструкцию входят усилительные элементы в виде серводвигателей. На рис. 5 показана схема такого регулятора РН-30. Его чувствительный элемент состоит из грузов, пружины и муфты, представляющей одно целое с золотником. Золотник является органом управления серводвигателем. В регуляторе РН-30 серводвигатель имеет дифференциальный поршень большого и малого диаметров. Масло под высоким давлением (около 0,8 МПа) из аккумулятора постоянно подается в полость. В нижнюю полость е масло поступает только через золотник при изменении частоты вращения грузов.

Серводвигатель управляет перемещением реек топливных насосов при помощи пальца 18 и вала 20. Регуляторы непрямого действия обязательно имеют стабилизирующие элементы в виде жестких или гибких (изодромных) обратных связей. Регулятор РН-30 оборудован изодромной связью. При увеличении нагрузки частота вращения грузов уменьшается, золотник 6 под действием пружины опускается вниз, и масло под высоким давлением из аккумулятора 16 по каналам в и б поступает в нижнюю полость серводвигателя с большей (в 2 раза) площадью поршня

Автоматические регуляторы непрямого действия обеспечивают регуляторные характеристики: статическую при наличии жесткой обратной связи и астатическую при наличии изодромной обратной связи. В последнем случае регулируемый параметр сохраняется постоянным при всех нагрузках.

В серводвигателе создается сила, перемещающая поршень вверх. Масло из верхней полости поршнем выжимается в канал в.

При подъеме поршня серводвигателя вал поворачивается против часовой стрелки, и плунжер, выдавливающий масло в полость под поршнем изодрома, опускается. Поршень под действием избыточного давления масла поднимается вверх и сжимает пружину 8 изодрома, создавая таким образом силу, способствующую возвращению золотника в исходное положение. Избыточное давление под поршнем постепенно уменьшается, так как масло перетекает на слив через сечение, задросселированное иглой изодрома. Процесс регулирования заканчивается только тогда, когда золотник 6 займет исходное положение, соответствующее нагруженной пружине изодрома. Это может произойти только при восстановлении первоначальной частоты вращения грузов регулятора и, следовательно, скоростного режима двигателя, что обусловливает точное поддержание заданной частоты вращения коленчатого вала.

При параллельной работе двигателей их регуляторы должны обеспечивать регу-ляторные характеристики с небольшим наклоном. Получение такой характеристики достигается жесткой обратной связью, которая в этих случаях включается в работу. При повороте против часовой стрелки вала 20 поворачиваются рычаги 23, 24 и 26, вследствие чего уменьшается предварительная деформация пружины. Это приводит к меньшей частоте вращения грузов, поэтому каждой нагрузке двигателя (т. е. каждому положению поршня серводвигателя) соответствует определенная частота вращения, тем меньшая, чем больше нагрузка. Изменение скоростного режима двигателя осуществляется тягой, поворачивающей рычаг для изменения предварительной деформации пружины. Перемещается тяга 28 вручную или дистанционно.

В регуляторе предусмотрено устройство, прекращающее подачу топлива, что можно осуществить дистанционно включением электромагнита. В этом случае масло под высоким давлением из канала в поступает в нижнюю полость стоп-золотника. Золотник, сжимая пружину, поднимается вверх, и его осевое отверстие соединяет полость серводвигателя со сливным каналом а. Поршень под действием высокого давления в полости з опускается вниз и выключает подачу топлива. Двигатель останавливается.

Двухимпульсные регуляторы устанавливают в тех случаях, когда предъявляют повышенные требования к точности поддержания заданного режима работы двигателя. Чувствительные элементы этих регуляторов измеряют и вырабатывают регулирующее воздействие в зависимости от двух параметров. Одним из этих параметров является регулируемый (например, частота вращения коленчатого вала), а другим — угловое ускорение, нагрузка, давление воздуха на входе в цилиндр и др. Наиболее часто используются двухимпульсные регуляторы по скорости и ускорению, по скорости и нагрузке.

Электрические (электронные) регуляторы используют для регулирования двигателей, имеющих электрическую энергию (дизель-генераторы, бензиновые двигатели с искровым зажиганием). В структуру таких регуляторов включаются датчики, задатчики, электронный блок, усилительные и исполнительные элементы.

Датчики предназначены для выработки электрического импульса (иш, ит и т. д.), соответствующего значению измеряемого параметра (частоты вращения, температуры и т.д.). Датчиком частоты вращения может быть тахогенератор, вырабатывающий напряжение U, пропорциональное частоте со вращения его ротора. Выработка аналогичного импульса частоты вращения может быть осуществлена электронным устройством, состоящим из генератора постоянных положительных импульсов напряжения тока, частота которых определяется задатчиком. Эти импульсы воспринимаются сумматором, на который поступают также отрицательные импульсы мультивибратора с индуктивным датчиком частоты вращения, которые гасят часть положительных импульсов генератора и в зависимости от частоты вращения изменяют среднюю силу тока на выходе сумматора.

Датчики давления состоят из мембраны, изменение прогиба которой при изменении давления (например, давления наддува) вызывает перемещение якоря, в результате чего изменяется напряжение выходного тока. Датчик на рис. 6, г имеет, кроме того, анероидную коробку 6, что обеспечивает коррекцию импульса по давлению в зависимости от атмосферного давления.

На рис. 5, д показана схема датчика температуры наддувочного воздуха, представляющего собой тонкую проволоку с высоким удельным сопротивлением, увеличивающимся по мере роста температуры. Проволока укреплена на текстолитовом кольце, установленном во впускном коллекторе.

Температура охлаждающей воды может измеряться датчиком, состоящим из термобаллона и сильфона. По мере увеличения температуры сильфон деформируется, ползушка 9 поворачивается и изменяет значение выходного напряжения U.

Число датчиков, измеряющих те или иные параметры, характеризующие работу двигателя, может быть значительно больше. Электрические импульсы, вырабатываемые ими, поступают в электронный блок, в котором обрабатываются по определенной программе. Появление интегральных микросхем существенно расширило возможности использования электроники в системах автоматического регулирования двигателя. Микропроцессор, дополненный запоминающими устройствами и устройствами ввода-вывода, образует микроЭВМ, которая обеспечивает возможность целевого программирования процедур обработки данных, получаемых от датчиков и задатчиков, и формирования соответствующего управляющего воздействия, которое после усилителя (например, трансформатора) воспринимается исполнительным устройством (например, электромагнитом, с сердечником которого связан орган управления двигателем).

Знание результатов комплексного воздействия на качество работы двигателя, совокупности многих параметров рабочих тел, внешней среды и режимов работы самого двигателя создает условия для разработки таких программ для микро-ЭВМ, которые обеспечат оптимизацию управляющих воздействий с целью, например, минимизации расхода топлива, токсичности отработавших газов и т. п., что значительно сложнее реализуется в механических, пневматических и гидравлических регуляторах.

Существуют два способа связи электрических (электронных) регуляторов с органом управления двигателем. На транспортных двигателях используют традиционную топливоподающую аппаратуру, при которой регулятор связан с рейкой топливного насоса высокого давления. На мощных стационарных двигателях могут применяться аккумуляторные системы топливоподачи, в которых функции дозирования выполняют электромагнитные форсунки.

Система управления двигателем через форсунку обеспечивает возможность более гибкого управления процессом впрыскивания по сравнению с управлением через рейку топливного насоса высокого давления. Однако необходимость высокого быстродействия срабатывания форсунки требует образования электрических командных импульсов большой мощности, что обусловливает больший расход энергии и, следовательно, увеличение мощности и емкости источника питания.

Кроме регуляторов частоты вращения, на двигателях иногда устанавливают регуляторы температуры охлаждающей воды, автоматы угла опережения впрыскивания, давления воздуха или смеси на входе в цилиндр и др.

Автоматизация двигателей

Автоматизация управления, обслуживания и регулирования двигателей увеличивает производительность и улучшает условия труда обслуживающего персонала на установках с двигателями внутреннего сгорания.

Автоматизированные двигатели широко применяют на судах морского и речного флота, ретрансляционных станциях теле-и радиосвязи, морских маяках, газоперекачивающих станциях, бурильных установках, аварийных энергоустановках, передвижных энергоустановках и т. п.

Применение средств автоматизации позволило повысить надежность двигателей и устранить поломки и аварии от несвоевременности принятия мер, предупреждающих развитие аварийной ситуации.

В нашей стране установлены четыре степени автоматизации.

Первая степень автоматизации предусматривает регулирование частоты вращения, температуры воды и наддувочного воздуха; контроль с помощью аварийно-предупредительной сигнализации и аварийную защиту двигателя.

Вторая степень автоматизации, кроме указанного выше, предусматривает автоматический пуск и останов двигателя с автоматической его предпусковой подготовкой; автоматический ввод под нагрузку и синхронизацию напряжения электрического тока при наличии нескольких генераторов, работающих на одну сеть; автоматическое поддержание в норме всех па-

раметров установки в течение не менее 15 ч для двигателей мощностью 110 кВт и 24 ч для двигателей мощностью свыше 110 кВт.

Третья степень автоматизации дополнительно к рассмотренной выше предусматривает полное автоматическое обслуживание двигателя и его вспомогательных агрегатов в течение 150 ч для двигателей мощностью менее 110 кВт и 240 ч для двигателей мощностью свыше 110 кВт.

Четвертая степень автоматизации предусматривает автоматизацию по третьей степени и дополнительно операции централизованного управления (с помощью управляющих машин) и диагностирования технического состояния двигателя в целом и отдельных его частей.

В последнее время до 85 % всех двигателей, выпускаемых промышленностью, являются автоматизированными. Большинство автоматизированных двигателей имеет автоматическую сигнализацию и защиту, оповещающую обслуживающий персонал о нарушениях в работе двигателя или о выполнении команд, поданных с дистанционного пульта управления.

Аварийно-предупредительными называются системы автоматической сигнализации, предупреждающие об отклонении параметров, характеризующих работу двигателя, от нормальных и приближении их к значениям, близким к аварийным.

Система автоматической сигнализации состоит: из измеряющего устройства, объединенного с выключателем тока или золотником, или клапаном воздушной системы; преобразователя; передающего устройства — передающих коммуникаций (электрических, пневматических или гидравлических); усилительных и сигнализирующих устройств.

Сигнализирующие устройства могут быть выполнены на базе световых или звуковых сигналов. Возможно одновременное применение световых и звуковых сигнализирующих устройств.

Световые сигналы подаются зелеными, желтыми и красными лампами; белыми мигающими лампами и белыми подсвечивающими табло с расшифровывающими надписями. Световые лампы расположены на пульте в определенном порядке и снабжены расшифровывающими сигнал надписями.

Звуковые сигналы — звонки, колокола, гудки, свистки, сирены. Тип звукового сигнала выбирают в зависимости от звукового фона, доминирующего в машинном отделении. Звуковой сигнал по тональности и громкости должен резко отличаться от звукового и шумового фона, создаваемого работающим двигателем и его агрегатами в машинном отделении.

Число световых сигнализирующих ламп зависит от сложности конструкции двигателя. Для двигателей мощностью до 100 кВт сигнализация организуется по трем параметрам: увеличение температуры воды выше 100°С; падение давления масла ниже минимально допустимого; чрезмерное повышение частоты вращения коленчатого вала двигателя. Для двигателей мощностью свыше 100 кВт число световых сигнализирующих ламп увеличивается и может превышать 20.

В автомобильных установках получают распространение сигнальные системы, показывающие экономичность выбираемого режима работы двигателя.

Небольшая вычислительная машина, в память которой заложены сведения об экономичности всех режимов работы двигателя, сравнивает показатели работы с эталонными и выносит на экран сведения об экономичности или неэкономичности выбранного режима работы.

На рис. 8 показан сигнализационный пульт СПБ-127-5 с пятью расшифровывающими сигнализирующими лампами и тремя лампами, сигнализирующими об аварийном состоянии двигателя, нормальном состоянии двигателя и о включении или отключении звукового сигнала. Реле, расположенные внутри пульта, принимают электрический сигнал преобразователя небольшой мощности и включают сигнализационные лампы в цепь повышенной мощности.

При включении аварийных ламп одновременно включается аварийный звуковой сигнал.

1…3 — сигнальные лампы; 4 — табло; 5 — корпус; 6 — полка крепления реле; 7 — крышка

Для обнаружения изменения параметров в двигатель встраиваются измерительные устройства — преобразователи.

Преобразователи делят на температурные, давления, частоты вращения, уровня жидкости, наличия струи жидкости, полноты сгорания и др. В двигателях мощностью до 100 кВт обычно устанавливают только преобразователи температурные, давления и частоты вращения.

Температурные преобразователи служат для измерения температуры охлаждающей жидкости, масла, газов, деталей двигателя. При достижении предельных значений приводятся в действие сигнализирующие устройства. Конструкции преобразователей разнообразны. В качестве примера на рис. 160 показан температурный преобразователь манометрического типа. При увеличении температуры в замкнутом объеме манометрического сосуда 1, помещенного в среду, температуру которой необходимо измерять, возрастает дав

ление паров легкоиспаряющеися жидкости, залитой в сосуд. Под действием этого давления деформируется упругий элемент— сильфон; при определенной температуре стержень, соединенный с сильфо-ном, нажимает на микровыключатель, и в исполнительное устройство подается ток.

Преобразователь давления, показанный на рис. 9, наиболее часто применяют при автоматизации двигателей. Он состоит из мембраны, нагруженной калиброванной пружиной, и выключателя тока. Под действием давления измеряемой среды мембрана деформируется и при достижении давления, на которое настроен преобразователь, включает исполнительное устройство.

Преобразователи частоты вращения расположены обычно на торцовых крышках двигателя и приводятся в движение от его вращающихся деталей. Для уменьшения размеров преобразователя его присоединяют к наиболее быстро вращающимся деталям. На рис. 162 показан предельный преобразователь частоты вращения вала двигателя, состоящий из чувствительного элемента центробежного типа и механизма включения исполнительного устройства.

Развитие автоматизированных двигателей привело к автоматизации процессов управления предпусковыми операциями, пуском и выводом двигателя под нагрузку; синхронизацией по напряжению генераторов; к автоматическому обслуживанию всех систем двигателя, подзаправке топливом и маслом; к автоматической остановке двигателя по какому-либо сигналу. В автоматизированных двигателях все больше применяют логические схемы управления, которые сами выбирают и определяют наиболее рациональный порядок проведения автоматических действий. Например, двигатель не получает разрешения на пуск, пока не будут проведены операции по прокачиванию и прогреву охладителя масла.

Системы автоматического управления могут строиться с различными системами передач и исполнительных устройств. По роду применяемого носителя энергии системы могут быть электрическими, пневматическими, гидравлическими и смешанными (электропневматическими, электрогидравлическими и т.д.). Установки небольшой мощности с быстроходными двигателями целесообразно автоматизировать на базе электрических систем. При автоматизации малооборотных двигателей большой мощности, требующих для управления их агрегатами больших усилий, чаще применяют пневматические и гидравлические системы автоматического управления. Исполнительные механизмы управления этих систем получаются компактнее, и при их изготовлении не требуются цветные металлы, которые применяют в электрических схемах.

Для управления двигателями, скомпонованными в стесненных условиях или в местах, неудобных для обслуживания, а также двигателями, расположенными вдали от пульта управления, созданы автоматизированные системы дистанционного управления двигателями.