ДВУХТОПЛИВНЫЙ ГАЗОБЕНЗИНОВЫЙ 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, содержащие поршневой 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, поступившего в цилиндр при впуске по сравнению с зарядом воздуха в том же двигателе без наддува.

Однако карбюраторные бензиновые двигатели с газотурбинным наддувом имеют ряд 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 снижение 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 двухтопливных газобензиновых двигателей внутреннего сгорания наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является двигатель внутреннего сгорания, содержащий впускной трубопровод с закрепленным на нем последовательно карбюратором, переходником-смесителем с патрубками впуска воздуха и газа и воздушным фильтром, выпускной трубопровод для выпуска отработавших газов из выпускного коллектора в атмосферу, магистраль для подачи бензина в карбюратор, снабженную электромагнитным клапаном с топливным фильтром, магистраль подачи газа в переходник-смеситель, в котором последовательно установлены редуктор высокого давления, электромагнитный клапан с газовым фильтром и двухступенчатый редуктор низкого давления.

Однако и эти двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков. Эти недостатки заключаются в том, что перевод работы двигателя с бензина на сжатый природный газ (при неизменной степени сжатия) сопровождается снижением его максимальной мощности на 18-22% что влечет в свою очередь снижение коэффициента использования грузоподъемности автомобиля. Кроме того, снижение максимальной мощности газовых двигателей, работающих на сжатом природном газе, сопровождается ухудшением тяговодинамических и эксплуатационных характеристик автомобиля.

Для повышения мощности и эффективности путем улучшения регулирования состава газовоздушной смеси на различных режимах работы двигателя предлагается двухтопливный газобензиновый двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, который в отличие от известного дополнительно снабжен турбокомпрессором с всасывающим, воздухонапорным и газоприемным патрубками, причем последний сообщен с выпускным трубопроводом, снабженным органом перепуска выпускного газа с приводом управления, а между воздушным фильтром и переходником-смесителем установлена пустотелая проставка, внутри которой соосно с ней размещен автоматический обратный клапан, разделяющий внутреннее пространство проставки на две полости, одна из которых сообщена с воздушным фильтром и с всасывающим патрубком турбокомпрессора, а другая с переходником-смесителем и через нагнетательный трубопровод с воздухонапорным патрубком турбокомпрессора, причем нагнетательный трубопровод сообщен с наддиафрагменными полостями первой и второй ступеней редуктора низкого давления.

На чертеже изображен предлагаемый двигатель.

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

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.

Между воздушным фильтром 18 и газовым переходником-смесителем 6 установлено воздушное распределительное устройство 19, выполненное в виде пустотелой проставки с размещенным по оси в его внутренней полости автоматическим обратным клапаном 20 с седлом 21, разделяющим внутреннюю полость проставки на две сообщающиеся между собой полости 22 и 23. Распределительное устройство 19 снабжено воздушными патрубками 24 и 25.

Двигатель оснащен турбокомпрессором 26, содержащим в свою очередь газовую турбину 27, приводимую отработавшими газами, и компрессор 28 для подачи сжатого воздуха в двигатель 29.

Газовая турбина 27 своим газоприемным патрубком подключена к выпускному коллектору 30 двигателя 29 и для выпуска отработавших газов в атмосферу снабжена выпускным патрубком 31.

Компрессор 28 своим воздухоприемным патрубком через всасывающий трубопровод 32 сообщен с воздушным патрубком 24, а воздухонапорным патрубком компрессора 28 через нагнетательный трубопровод 33 сообщен с воздушным патрубком 25 воздушного распределительного устройства 19. Распределение воздуха и требуемый его расход в зависимости от режима работы двигателя обеспечиваются конструкцией распределительного устройства 19. Автоматический обратный клапан 20 исключает перетекание наддувочного воздуха из полости 23 в полость 22 при работе двигателя с газотурбинным наддувом.

Выпускной коллектор 30 снабжен обводным трубопроводом 34, оснащенным в свою очередь перепускным органом управления 35.

Нагнетательный воздушный трубопровод 33 сообщен с одной стороны через балансировочную трубку 36 с наддиафрагменной полостью первой ступени, с другой через балансировочную трубку 37 с наддиафрагменной полостью второй ступени газового редуктора 5.

Магистральный вентиль 1 и бензиновый насос 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 (не показаны) через открытые расходный (не показан) и магистральный вентиль 1 и газовый трубопровод 7 поступает в подогреватель газа 2. Из подогревателя 2 подогретый газ через газовый трубопровод 8 поступает в одноступенчатый редуктор высокого давления 3, в котором давление газа понижается до 0,8-1,2 МПа. Подогретый газ, проходя через магистральный электромагнитный клапан с газовым фильтром 4, очищается от механических при- месей и через газовый трубопровод 10 поступает в первую ступень двухступенчатого газового редуктора низкого давления 5, 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, обеспечивающее подачу необходимого количества газа в газовоздушный переходник-смеситель 6 карбюратора 15, где смешивается с очищенным сжатым воздухом, поступающим одновременно из воздушного фильтра 18 через полость 22 воздушного распределительного устройства 19, всасывающий трубопровод 32, компрессор 28, нагнетательный трубопровод 33 и нижнюю полость 23, образуя горючую смесь. Обратный воздушный клапан 20 при этом за счет разностей давлений со стороны полостей 22 и 23 (Р_о'<Р_к) плотно прижат к седлу 21. 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 29 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 30 и перепускному органу 35, вращают рабочее колесо газовой турбины 27, а вместе с ним и ротор компрессора 28, а удаляются выпускные газы в атмосферу через выпускной патрубок 31.

При увеличении нагрузки и как следствие увеличении давления наддувочного воздуха последнее передается в наддиафрагменные полости высокого и низкого давления редуктора. Рост давлений в наддиафрагменных полостях высокого и низкого давления с одновременным разрежением в полости второй ступени редуктора низкого давления 5 сопровождается увеличением перепада давлений в полости второй ступени и наддиафрагменной полостью и полостью первой ступени и наддиафрагменной полостью 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 газа в соответствии с возросшим расходом воздуха через двигатель.

Дальнейшее возрастание нагрузки двигателя влечет за собой увеличение 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 орган 35 в выпускном коллекторе 30 установлен в положение для подачи выпускных газов в турбину 27.

При работе двигателя на жидком топливе бензин из бензобака (не показан) бензиновым насосом 13 через бензопровод 16, открытый электромагнитный клапан 14 и бензопровод 17 подается в карбюратор 15, в который одновременно через воздушный фильтр 18, открытый обратный клапан 20 и нижнюю полость 23 поступает атмосферный воздух. Образовавшаяся топливовоздушная смесь в карбюраторе 15 через воздушные коллекторы (не показаны) поступает в цилиндры двигателя. Турбокомпрессор 26 при этом не работает, так как в этом случае выпускной коллектор 30 через перепускной орган 35 и обводной трубопровод 34 сообщен с выпускным патрубком 31, минуя газоприемный патрубок газовой турбины 27.

Использование: двигателестроение, а именно двухтопливные двигатели внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом. Сущность изобретения: между воздушным фильтром 18 и газовым переходником-смесителем 6 карбюратора 15 установлено воздушное распределительное устройство 19, выполненное в виде пустотелой проставки с размещенным по оси в его внутренней полости автоматическим обратным клапаном 20 с седлом 21, разделяющим внутреннюю полость проставки на две, сообщающиеся между собой полости 22 и 23. Распределительное устройство 19 снабжено воздушными патрубками 24 и 25, предназначенными для сообщения внутренних полостей 22 и 23 с турбокомпрессором. Двигатель оснащен турбокомпрессором 26, содержащим в свою очередь газовую турбину 27, приводимую отработавшими газами, и компрессор 28 для подачи сжатого воздуха в двигатель 29. Газовая турбина 27 своим газоприемным патрубком подключена к выпускному коллектору 30 двигателя 29 и для выпуска отработавших газов в атмосферу снабжена выпускным патрубком 31. Компрессор 28 своим воздухоприемным патрубком через всасывающий трубопровод 32 сообщен с воздушным патрубком 24, а воздухонапорным патрубком компрессора 28 через нагнетательный трубопровод 33 сообщен с воздушным патрубком 25 воздушного распределительного устройства 19. Выпускной коллектор 30 снабжен обводным трубопроводом 34 с перепускным органом управления 35. 1 ил.

ДВУХТОПЛИВНЫЙ ГАЗОБЕНЗИНОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ, содержащий впускной трубопровод с закрепленными на нем последовательно карбюратором, переходником-смесителем с патрубками впуска воздуха и газа и воздушным фильтром, выпускной трубопровод, магистраль подачи бензина в карбюратор, снабженную электромагнитным клапаном и топливным фильтром, магистраль подачи газа в переходник-смеситель, в которой последовательно установлены редуктор высокого давления, электромагнитный клапан с газовым фильтром и двухступенчатый редуктор низкого давления, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности и эффективности путем улучшения регулирования состава газовоздушной смеси на различных режимах работы двигателя, он снабжен турбокомпрессором с всасывающим, воздухонапорным и газоприемным патрубками, причем последний сообщен с выпускным трубопроводом, снабженным органом перепуска выпускных газов с приводом управления, а между воздушным фильтром и переходником-смесителем установлена пустотелая проставка, внутри которого соосно с ней размещен автоматический обратный клапан, разделяющий внутреннее пространство проставки на две полости, одна из которых сообщена с воздушным фильтром и с всасывающим патрубком турбокомпрессора, а другая с переходником-смесителем и через нагнетательный трубопровод с воздухонапорным патрубком турбокомпрессора, причем нагнетательный трубопровод сообщен с наддиафрагменными полостями первой и второй ступеней редуктора низкого давления.