ДВУХТОПЛИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ Российский патент 1995 года по МПК F02B37/00 

Изобретение относится к двигателестроению, а более конкретно к двухтопливным двигателям внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, используемым преимущественно на автомобилях.

Известны двигатели внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, содержащее поршневый двигатель внутреннего сгорания с установленной в выпускном трубопроводе газовой турбиной турбокомпрессора, рабочее колесо которой установлено на одном валу с ротором центробежного нагнетателя, расположенного во впускном трубопроводе.

Выпускные газы, проходя по выпускному трубопроводу из поршневого двигателя и обладая высокой температурой и давлением, отдают свою энергию лопаткам рабочего колеса газовой турбины, приводящей в действие компрессор. Компрессор засасывает воздух из атмосферы и под определенным давлением нагнетает его в цилиндры поршневого двигателя. При наддуве плотность воздуха повышается и, следовательно, увеличивается количество свежего заряда, заполняющего цилиндр при впуске, по сравнению с зарядом воздуха в том же двигателе без наддува.

Однако карбюраторные бензиновые двигатели с газотурбинным наддувом обладают рядом недостатков. Эти недостатки заключаются в том, что вместе с повышением давления наддува возрастают давление и температура смеси в конце сжатия, вследствие чего сгорание смеси легко приобретает детонационный характер. С целью избежания детонации приходится или понижать степень сжатия карбюраторного двигателя, или использовать более дорогой бензин с повышенным октановым числом.

В газовых двигателях внутреннего сгорания применение наддува не влечет за собой снижения степени сжатия, так как вследствие более высокого октанового числа топливного газа по сравнению с бензином в них отсутствует детонация и, следовательно, нет необходимости в понижении степени сжатия двигателя или использования более дорогого топлива.

Из известных двигателей внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является двигатель внутреннего сгорания, содержащий выпускной трубопровод для выпуска отработавших газов из выпускного коллектора в атмосферу, топливопровод для подвода топливовоздушной смеси с подсоединенным к нему карбюратором, смеситель, снабженный каналами для впуска воздуха и газа, магистраль для подачи бензина в карбюратор, снабженную электромагнитным клапаном, и магистраль для подачи газа в смеситель, снабженную запорным органом и редуктором-регулятором давления, орган перекрытия выпускного трубопровода с приводом и турбокомпрессор с газоприемным и воздухонапорным патрубками, причем выхлопной коллектор дополнительно сообщен с газоприемным патрубком турбокомпрессора, к воздухонапорному патрубку последнего подключен канал впуска воздуха смесителя, а датчик давления подключен к магистрали газа между запорным органом и редуктором-регулятором.

В известном двигателе внутреннего сгорания впуск атмосферного воздуха из воздушного фильтра в газовый смеситель карбюратора при работе двигателя с наддувом осуществляется только через компрессор, вследствие чего при запуске и работе двигателя на малых и частичных нагрузках, когда частота вращения вала компрессора минимальна, компрессор не обеспечивает необходимого расхода воздуха в двигатель, что снижает мощностные и экономические показатели работы двигателя. Заметное повышение давления наддувочного воздуха и следовательно, расхода воздуха через компрессор достигаются только тогда, когда частота вращения вала двигателя, а следовательно, и расход отработавших газов через турбину достигают определенных значений. Более того, такой способ включения турбокомпрессора в систему впуска значительно ухудшает работу двигателя на неустановившихся режимах.

Кроме того, наддиафрагменные полости первой и второй ступеней газового редуктора низкого давления сообщены с давлением окружающей среды, а не с давлением наддувочного воздуха компрессора, что лишает кинематической связи двухступенчатого редуктора низкого давления с системой газотурбинного наддува двигателя и что, в конечном итоге, не может обеспечить оптимальной подачи топливного газа в двигатель в зависимости от режима работы двигателя с газотурбинным наддувом.

Для повышения технико-экономических показателей работы двигателя на частичных и переходных режимах предлагается двухтопливный двигатель внутреннего сгорания, в котором в отличие от известного имеется воздушное распределительное устройство, выполненное в виде отдельного воздушного колпака с патрубками, устанавливаемого на газовый переходник-смеситель на место воздушного фильтра, в одном из патрубков которого по оси выполнен обратный автоматический клапан, отделяющий внутреннюю полость колпака от внутренней полости всасывающего воздушного патрубка, сообщающего с одной стороны воздушный фильтр со всасывающим патрубком нагнетательного компрессора, а с другой - при открытом автоматическом клапане - воздушный фильтр с внутренней полостью колпака, другой патрубок колпака сообщает его внутреннюю полость с нагнетательным трубопроводом турбокомпрессора, причем нагнетательная полость воздухонапорного трубопровода сообщена с наддиафрагменными полостями первой и второй ступеней газового редуктора низкого давления.

На чертеже изображена схема двухтопливного двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом.

Двухтопливный двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом содержит магистральный вентиль 1, подогреватель газа 2, одноступенчатый редуктор 3 высокого давления, электромагнитный клапан 4 с газовым фильтром, двухступенчатый газовый редуктор 5 низкого давления и газовый переходник-смеситель 6, сообщенные между собой газовыми трубопроводами 7,8,9 и 10 высокого давления и трубопроводами 11 и 12 низкого давления.

Бензиновая система для подачи топлива в двигатель включает в себя топливный бак (не показан), бензонасос 13, электромагнитный клапан 14 с бензиновым фильтром и карбюратор 15, сообщенные между собой через бензопроводы 16 и 17.

Сверху газового переходника-смесителя 6 установлено воздушное распределительное устройство 18, выполненное в виде отдельного воздушного колпака с патрубками 19 и 20, в одном из которых горизонтально по оси размещен автоматический обратный клапан 21 с седлом 22, отделяющий внутреннюю полость 23 устройства 18 от внутренней полости промежуточного патрубка 24.

Двигатель оснащен турбокомпрессором 25, состоящим из газовой турбины 26, приводимой в движение отработавшими газами, и компрессора 27 для подачи сжатого воздуха в двигатель 28.

Газовая турбина 26 своим газоприемным патрубком подключена к выпускному коллектору 29 двигателя 28 и для выпуска отработавших газов в атмосферу снабжена выпускным патрубком 30.

Компрессор 27 своим воздухоприемным патрубком через всасывающий трубопровод 31, промежуточный патрубок 24 и главный воздушный патрубок 32 сообщен с воздушным фильтром 33, а воздухонапорным патрубком компрессор 27 через нагнетательный трубопровод 34 сообщен с воздушным патрубком 20 воздушного распределительного устройства 18.

Распределение воздуха и требуемый его расход в зависимости от режима работы двигателя обеспечиваются конструкцией распределительного устройства 18. Автоматический обратный клапан 21 исключает перемещение наддувочного воздуха из внутренней полости колпака во внутреннюю полость промежуточного патрубка 24 при работе двигателя с газотурбинным наддувом.

Выпускной коллектор 29 снабжен обводным трубопроводом 35 с перепускным дросселирующим органом 36.

Нагнетательный воздушный трубопровод 34 сообщен с одной стороны через балансировочную трубку 37 с наддиафрагменной полостью первой ступени, с другой через балансировочную трубку 38 - с наддиафрагменной полостью второй ступени газового редуктора 5.

Магистральный вентиль 1 и бензонасос 13 через систему трубопроводов и запорной арматуры сообщены соответственно с газовыми баллонами и бензобаком (не показано).

Работа осуществляется следующим образом.

При работе на газообразном топливе сжатый природный газ из баллонов высокого давления через открытые расходный (не показан) и магистральный 1 вентили и газовый трубопровод 7 поступает в подогреватель газа 2. Из подогревателя 2 подогретый газ через газовый трубопровод 8 поступает в одноступенчатый редуктор 3 высокого давления, где давление газа понижается до 0,8-1,2 МПа. Подогретый газ, проходя через магистральный электромагнитный клапан 4 с газовым фильтром, очищается от механических примесей и через газовый трубопровод 10 поступает в первую ступень двухступенчатого газового редуктора 5 низкого давления, в котором давление понижается до 0,18-0,20 МПа. Затем газ из первой ступени поступает во вторую ступень редуктора, где его давление понижается до атмосферного.

В дальнейшем газ из второй ступени редуктора низкого давления поступает в дозирующее экономайзерное устройство (не показано), обеспечивающее подачу необходимого количества газа в газовоздушный переходник-смеситель 6 карбюратора 15, где смешивается с очищенным сжатым воздухом, поступающим одновременно из воздушного фильтра 33 через главный воздушный патрубок 32, промежуточный патрубок 24, всасывающий трубопровод 31, компрессор 27, нагнетательный трубопровод 34 и внутреннюю полость 23 устройства 18, образуя горючую смесь. Обратный воздушный клапан 21 при этом за счет разности давлений со стороны полости 23 и внутренней полости промежуточного патрубка 24 плотно прижат к седлу 22.

Образовавшаяся горючая смесь в смесителе, обладая повышенной плотностью по сравнению со смесью газа с атмосферным воздухом в двигателе без наддува, через диффузоры и смесительные камеры карбюратора-смесителя (не показано) направляется во впускной трубопровод и распределяется по отдельным цилиндрам двигателя. Смесь, поступая в двигатель 28 под избыточным давлением, компенсирует потерю мощности по сравнению с мощностью двигателя при работе его на бензовоздушной смеси.

При работе двигателя выпускные газы, проходя по выпускному коллектору 29 и перепускному органу 36, вращают рабочее колесо газовой турбины 26, а вместе с ним и ротор компрессора 27, а удаляются выпускные газы в атмосферу через выпускной патрубок 30.

При увеличении нагрузки и, как следствие, увеличении давления наддувочного воздуха последнее передается в наддиафрагменные полости высокого и низкого давления. Рост давления в наддиафрагменных полостях высокого и низкого давления с одновременным размещением в полости второй ступени редуктора 5 низкого давления сопровождается увеличением перепада давлений в полости второй ступени и наддиафрагменной полости и полости первой ступени и наддиафрагменной полости первой ступени, что приводит к возникновению дополнительных усилий. Эти усилия действуют соответственно на диафрагму и клапан низкого давления и на диафрагму и клапан высокого давления.

Степень открытия клапанов высокого и низкого давления увеличивается, что приводит к соответствующему увеличению расхода топливного газа через эти клапаны. Все это в целом приводит к росту расхода топливного газа в соответствии с возросшим расходом воздуха через двигатель.

Дальнейшее возрастание нагрузки двигателя обуславливает рост давления наддувочного воздуха и, как следствие, увеличение степени открытия клапанов высокого и низкого давления соответственно первой и второй ступеней редуктора 5, что приводит к увеличению подачи газа в соответствии с возросшей нагрузкой двигателя.

При работе двигателя на газообразном топливе электромагнитный клапан 4 открыт. Перепускной (дросселирующий) орган 36 в выпускном коллекторе 29 установлен в положение для подачи выпускных газов в газовую турбину 26.

При работе двигателя на жидком топливе бензин из бензобака бензонасосом 13 через бензопровод 16, открытый электромагнитный клапан 14 и бензопровод 17 подается в карбюратор 15, в который одновременно через воздушный фильтр 33, главный воздушный патрубок 32, промежуточный патрубок 24, открытый обратный клапан 21 и внутреннюю полость 23 устройства 18 поступает атмосферный воздух. Образовавшаяся топливовоздушная смесь в карбюраторе 15 через воздушный коллектор (не показан) поступает в цилиндры двигателя. Турбокомпрессор 25 при этом не работает, так как в этом случае выпускной коллектор 29 через перепускной орган 36 и обводной трубопровод 35 сообщен с выпускным патрубком 30, минуя газоприемный патрубок газовой турбины 26.

Сущность изобретения заключается в том, что сверху газового проводника-смесителя установлено воздушное распределительное устройство, выполненное в виде отдельного воздушного колпака с патрубками, в одном из которых горизонтально по оси размещен автоматический обратный клапан с седлом, отделяющий внутреннюю полость колпака от внутренней полости промежуточного патрубка. Двигатель оснащен трубокомпрессором, состоящим из газовой турбины, приводимой отработавшими газами, и компрессора для подачи сжатого воздуха в двигатель. Газовая турбина своим газоприемным патрубком подключена к выпускному коллектору двигателя и для выпуска отработавших газов в атмосферу снабжена выпускным патрубком. Компрессор своим воздухоприемным патрубком через всасывающий трубопровод, промежуточный патрубок и главный воздушный патрубок сообщен с воздушным фильтром, а воздухонапорным патрубком компрессор через нагнетательный трубопровод сообщен с воздушным патрубком воздушного распределительного устройства. Выпускной коллектор снабжен обводным трубопроводом с перепускным дросселирующим органом. 1 ил.

ДВУХТОПЛИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ, содержащий выпускной трубопровод для выпуска отработанных газов из выпускного коллектора в атмосферу, топливопровод для подвода топливовоздушной смеси с подсоединенным к нему карбюратором, переходник-смеситель, снабженный каналами для впуска воздуха и газа, воздушный фильтр для очистки воздуха, подключенный всасывающим трубопроводом к компрессору турбокомпрессора, магистраль для подачи бензина в карбюратор, снабженную первым электромагнитным клапаном с бензиновым фильтром, и магистраль подачи газа в переходник-смеситель, снабженную вторым электромагнитным клапаном с газовым фильтром, двухступенчатым редуктором-регулятором давления газа с наддиафрагменными полостями, орган перепуска отработавших газов из выпускного коллектора в атмосферу с приводом управления, газоприемник и воздухонапорный трубопровод, подсоединенный к турбокомпрессору, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен воздушным распределительным устройством, выполненным в виде отдельного воздушного колпака с патрубками, размещенного на переходном смесителе обратным автоматическим клапаном, размещенным в одном из патрубков воздушного распределительного устройства и разделяющим всасывающий трубопровод от внутренней полости воздушного колпака, другой патрубок которого связан с нагнетательным трубопроводом турбокомпрессора, причем нагнетательный трубопровод подсоединен к наддиафрагменным полостям первой и второй ступени двухступенчатого редуктора-регулятора давления газа.