А. В. Самсонов – ГМТУ, С.-Петербург

Применение электронной системы значительно повышает гибкость управления поршневым двигателем. Кроме того, упрощается конструкция двигателя за счет отказа от механических приводов в топливной системе и в системе газораспределения. Уменьшаются также вредные выбросы оксидов азота, повышается топливная экономичность.

В настоящее время энергетический потенциал России составляет более 700 электростанций общей мощностью свыше 215 млн кВт. Из них почти 70% – тепловые электростанции, примерно 20% – гидроэлектростанции и 10% – атомные. Протяженность линий электропередач всех классов более 2,5 млн км – 90% этого потенциала сосредоточено в Единой энергетической системе (ЕЭС). По известным прогнозам специалистов [1, 2], в ближайшее время треть мощностей российских электростанций (80 млн кВт) выработают свой ресурс и потребует замены. В настоящее время износ линий электропередач в системе ЕЭС превышает 25%, подстанций – 45%. Все это свидетельствует о нарастающей угрозе аварийных отключений и перебоев в электроснабжении.
Вместе с тем образовался существенный недогруз электростанций, что объясняется спадом производства. Отсюда повышенный расход топлива из-за эксплуатации в неэкономичных режимах и увеличение стоимости вырабатываемой электроэнергии. При такой ситуации возрастает роль объектов малой энергетики – автономных электростанций на базе дизельных и газовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в диапазоне мощности от 200 до 3000 кВт и выше.
Развитие этого направления определяется целым рядом факторов, главными из которых являются [3]:
•    выработка ресурсов мощных электростанций России и явно недостаточные темпы ввода новых мощностей;
•    снижение надежности и качества электроснабжения;
•    необходимость резервирования энергоснабжения от централизованных источников в связи с участившимися аварийными ситуациями и связанными с этим экономическими потерями;
•    большие затраты на ввод мощных электростанций и небольшие – на ввод малых электростанций (теплоэнергетических комплексов);
•    соизмеримость стоимости электрической и тепловой энергии, производимой на дизельных энергетических установках, и тарифов монополистов, а при использовании местных видов топлива – производство энергии с меньшими затратами;
•    возможность ввода автономных газовых и дизельных энергетических установок в короткие сроки;
•    утилизация попутного газа.
Однако при использовании поршневых ДВС для нужд малой энергетики существенной проблемой является экологический аспект, связанный с вредными выбросами, особенно на долевых режимах работы. Решить эту проблему позволяют электронные системы управления двигателем (ЭСУ), которые в последнее время находят все большее применение в зарубежном дизелестроении.
Применение электронной системы вместо механической значительно повышает гибкость управления двигателем, обеспечивая оптимальные характеристики его работы на различных режимах и в разных условиях эксплуатации. Кроме того, упрощается конструкция двигателя за счет отказа от механических приводов в топливной системе и в системе газораспределения. Важными достоинствами являются также уменьшение вредных выбросов оксида азота, повышение топливной экономичности, улучшенные показатели рабочих процессов.
Характерная особенность таких двигателей заключается в том, что система электронного управления является составной частью топливной системы двигателя, системы подачи очищенного воздуха и выпуска отработавших газов. Это позволяет с помощью электронных средств полностью контролировать подачу и момент впрыска топлива.
Электронная система, в отличие от механической, обеспечивает более точное управление временем впрыска и соотношением воздуха и топлива в топливовоздушной смеси. Синхронизация впрыска достигается точным контролем времени срабатывания насосов-форсунок. Частота вращения двигателя изменяется за счет регулирования продолжительности впрыска. Для обеспечения впрыска топлива блок электронного управления двигателем (БЭУД) подает на соленоиды насос-форсунок электропитание.
В электронную систему двигателя входят элементы трех типов: входные, управляющие и выходные. Входные элементы посылают электрические сигналы в блок электронного управления системы. У посылаемого сигнала изменяется один из параметров – напряжение, частота или длительность импульса. Это связано с изменением определенных параметров работы дизеля.
К входным элементам относятся датчики частоты вращения/синхронизации впрыска топлива, датчик температуры охлаждающей жидкости и др.
Управляющий элемент БЭУД принимает сигналы от различных входных элементов, интерпретирует их и таким образом получает полную информацию о состоянии и параметрах работы двигателя. При этом электронные схемы управляющего элемента обеспечивают не только оценку сигналов входных элементов, но и подачу напряжения питания на выходные элементы системы. Фактически подводимая к выходным элементам электрическая энергия определяется заранее заданными сочетаниями значений входных сигналов.
Поступающая электроэнергия используется выходными элементами как для выполнения определенной работы, так и для выдачи информации. Например, подвижный плунжер соленоида, выполняя работу, осуществляет управление двигателем. С другой стороны, загорание светового индикатора на приборной панели или срабатывание звукового сигнала информирует оператора о состоянии двигателя.
Стандартное расположение и состав компонентов системы электронного управления представлен на рис.
Подача топлива под высоким давлением в камеру сгорания как в двигателях с электронным управлением, так и с механическим приводом осуществляется с помощью плунжерной пары. Но основная особенность топливной системы двигателя с ЭСУ заключается в том, что она оборудована гидравлическими электронными насосами-форсунками (ГЭНФ). Работа такой системы принципиально отличается от топливных систем с механическим включением впрыска. В ГЭНФ для приведения в действие плунжера используется моторное масло под высоким давлением, которое подается специальным насосом с давлением от 6 до 27,5 МПа.
Принцип использования работы масла высокого давления в электронных насосах-форсунках аналогичен применяемому в гидроцилиндрах. Вследствие увеличения усилия, создаваемого маслом высокого давления, ГЭНФ может развивать очень высокое давление впрыска, которое достигается за счет воздействия масла высокого давления на поршень. Площадь поршня превышает площадь плунжера примерно в шесть раз. Поршень, перемещающийся под действием масла высокого давления, толкает плунжер.
Давление масла высокого давления («давление включения впрыска») обеспечивает требуемое давление впрыска топлива насосом-форсункой. Фактическое давление впрыска почти в шесть раз выше «давления включения впрыска». Низкое «давление включения впрыска» используется при малой частоте вращения (в режиме холостого хода и при пуске двигателя), высокое – в режиме большой частоты вращения, например при разгоне двигателя.
На практике топливная система с ГЭНФ не только обеспечивает заданное давление впрыска, но и позволяет бесступенчато регулировать его в зависимости от изменений условий эксплуатации двигателя. Работа топливной системы постоянно контролируется БЭУД, который получает сигнал от датчика «давления включения впрыска», установленного на коллекторе масла высокого давления.
При использовании механического привода в топливной системе давление впрыска падает при снижении скорости вращения двигателя, и это отрицательно влияет на качество распыливания топлива. При применении ЭСУ скорость движения плунжера и развиваемое им давление остаются неизменными – это значительно уменьшает расход топлива на различных нагрузках и обеспечивает более устойчивую работу в зоне минимальных нагрузок на двигатель.
Кроме того, электронное управление позволяет осуществлять подачу предварительной порции топлива в цилиндры двигателя, подготавливая камеру сгорания для основной дозы. А это, в свою очередь, снижает шумность работы двигателя. Когда в холодную камеру сгорания подается полная рабочая доза распыленного топлива, процесс его воспламенения приобретает детонационный характер из-за высокой скорости нарастания давления. Здесь же резкого скачка давления не наблюдается: основная порция топлива, попадая в горячую камеру сгорания, легко испаряется и горит. В связи с более полным сгоранием топлива снижается также токсичность выхлопа.
Следует отметить, что двигатели с ЭСУ позволяют осуществлять индивидуальные настройки всех процессов функционирования не только по каждому двигателю, но и по каждому его цилиндру с учетом условий эксплуатации. Управление осуществляется с высокой скоростью и может изменяться от цикла к циклу, обеспечивая мгновенную реакцию на изменение нагрузки. Таким образом, гарантирована защита от перегрузок не только всего двигателя, но и каждого цилиндра. Это определяет высокую надежность двигателя и увеличивает его ресурс. В настоящее время ведущие иностранные производители дизельных двигателей активно выводят на рынок двигатели с ЭСУ. Возможности электронной системы управления наиболее полно реализованы в дизелях компании Caterpillar, которые начинают активно применяться и в стационарных дизель-генераторных установках.
Использование двигателей внутреннего сгорания с ЭСУ для нужд малой энергетики является одним из перспективных направлений развития двигателестроения в ближайшем будущем.

Использованная литература
1. Бордуков В.Т., Левин М.М. Отечественное дизелестроение и проблемы малой энергетики/ Двигателестроение, 1997. № 4.
2. Кривов В.Г., Агафонов А.Н. Предложения по созданию комбинированных малых теплоэлектроцентралей на базе поршневых и газотурбинных двигателей с утилизацией теплоты/Двигателестроение, 1998. № 2.
3. Самсонов А.В. Использование поршневых ДВС для нужд малой энергетики/Материалы межотраслевой научно-технической конференции, посвященной 75-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок//СПб ГМТУ, 2005. С. 103-105.