ДВУХТОПЛИВНЫЙ ГАЗОБЕНЗИНОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ Российский патент 1997 года по МПК F02B37/00 F02B43/00 

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 (Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С. Орлина, М. Машиностроение, 1970, с. 7-8).

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 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.

Из известных двигателей внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом наиболее близким по технической сущности и по достигаемому результату является двигатель внутреннего сгорания (Григорьев В.Г. Колубаев В.Д. Ерохов В.И. и др. Газобаллонные автомобили, 1989, с.37, рис.12), содержащий впускной трубопровод с закрепленными 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 которой последовательно установлены редуктор высокого давления, электромагнитный клапан с газовым фильтром и двухступенчатый редуктор низкого давления.

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

Для повышения мощностных и экономических показателей работы двигателя на частичных и полных нагрузках путем улучшения регулирования состава газовоздушной смеси предлагается двухтопливный газобензиновый двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, снабженный турбокомпрессором с всасывающим воздухонапорным и газоприемным патрубками, последний из которых сообщен с выпускным трубопроводом, снабженным органом перепуска выпускных газов с приводом управления, а между воздушным фильтром и переходником-смесителем установлено воздушное распределительное устройство в виде проставки, внутри которой соосно с ней размещен автоматический обратный клапан, разделяющий внутреннее пространство 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, воздушное распределительное устройство дополнительно снабжено пневматической системой управления, выполненной в виде цилиндра с расположенным в нем поршнем, кинематически связанным с тарелкой автоматического клапана, надпоршневое цилиндровое пространство которого через трубопровод малого сечения сообщено с всасывающим патрубком турбокомпрессора, причем трубопровод малого сечения снабжен регулировочным винтом.

На чертеже схематично показано устройство двухтопливного газобензинового двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом.

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

Бензиновая система для подачи топлива в двигатель включает в себя топливный бак (не показан), бензонасос 13, электромагнитный клапан с бензиновым фильтром 14 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 ее внутренней полости автоматическим обратным клапаном 20 с седлом 21, разделяющим внутреннюю полость проставки на две, сообщающиеся между собой полости 22 и 23. Распределительное устройство 10 снабжено воздушными патрубками 24 и 25.

Кроме того, воздушное распределительное устройство 19 дополнительно снабжено пневматической системой управления, выполненной в виде цилиндра 26 с расположенным в нем поршнем 27, кинематически связанным с тарелкой автоматического клапана 20 штоком 28.

Двигатель оснащен турбокомпрессором 29, содержащим в свою очередь газовую турбину 30, приводимую отработавшими газами, и компрессор 31 для подачи сжатого воздуха в двигатель 32.

Газовая турбина 30 своим газоприемным патрубком подключена к выпускному коллектору 33 двигателя 32 и для выпуска отработавших газов в атмосферу снабжена выпускным патрубком 34.

Компрессор 31 своим воздухоприемным патрубком через всасывающий трубопровод 35 сообщен с воздушным патрубком 24, а воздухонапорным патрубком через нагнетательный трубопровод 36 сообщен с воздушным патрубком 25 воздушного распределительного устройства 19.

Выпускной коллектор 33 снабжен обводным трубопроводом 37, оснащенным в свою очередь перепускным органом управления 38.

Надпоршневое пространство пневматического цилиндра 26 сообщено с всасывающим патрубком компрессора 31 трубопроводом малого сечения 39 с регулировочным винтом 40.

Нагнетательный воздушный трубопровод 36 сообщен с одной стороны через балансировочную трубку 41 с наддиафрагменной полостью первой ступени, а с другой через балансировочную трубку 42 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, где давление газа понижается до 0,8-1,2 МПа. Подогретый газ, проходя через магистральный электромагнитный клапан с газовым фильтром 4, очищается от механических примесей 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 35, компрессор 31, нагнетательный трубопровод 36 и нижнюю полость 23, образуя горючую смесь. Обратный воздушный клапан 20 при этом за счет разностей давлений между полостями 22 и 23 с одной стороны и за счет дополнительного усилия на обратный клапан 20, оказываемого вследствие разрежения, создаваемого во всасывающем патрубке компрессора 31 и передаваемого через приоткрытый регулировочный винт 40 и трубопровод малого сечения 39, и надпоршневое пространство пневматического цилиндра 26, плотно прижат к седлу 21. Поршень 27 в этот момент находится в крайнем (на чертеже в верхнем) положении. Площади поперечного сечения цилиндра 26 и трубопровода малого сечения 39 подобраны таким образом, что уже при малых нагрузках работы двигателя, а, следовательно, относительно невысоких частотах вращения вала компрессора 31 в цилиндре 26 создается разрежение, достаточное для удержания тарелки клапана 20 в закрытом состоянии. С помощью регулировочного винта 40 достигается необходимая чувствительность работы пневматической системы управления. 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 32 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 33 и перепускному органу управления 38, вращают рабочее колесо газовой турбины 30, а вместе с ним и ротор компрессора 31, а удаляются выпускные газы в атмосферу через выпускной патрубок 34.

При увеличении нагрузки и, как следствие, увеличение давления наддувочного воздуха, последнее передается в наддиафрагменные полости высокого и низкого давления редуктора. Рост давления в наддиафраменных полостях высокого и низкого давления с одновременным разрежением в полости второй ступени редуктора низкого давления 5 сопровождается увеличением перепада давлений в полостях первой и второй ступеней редуктора, что приводит к возникновению исполнительных усилий на диафрагмы. Эти усилия действуют соответственно на диафрагмы и клапаны низкого и 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 обуславливает 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 управления 38 в выпускном коллекторе 33 установлен в положение для подачи выпускных газов в газовую турбину 30.

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 показано) поступает в цилиндры двигателя. Турбокомпрессор 29 при этом не работает, так как в этом случае выпускной коллектор 33 через перепускной орган управления 38 и обводной трубопровод 37 сообщен с выпускным патрубком 34, минуя газоприемный патрубок газовой турбины 30.

Использование: изобретение относится к двигателестроению, а более конкретно - к двухтопливным двигателям внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, используемым, преимущественно на автомобилях. Сущность изобретения: между воздушным фильтром 18 и газовым переходником-смесителем 6 карбюратора 15 установлено воздушное распределительное устройство 19, выполненное в виде пустотелой проставки с размещенными 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. Кроме того, воздушное распределительное устройство 19 дополнительно снабжено пневматической системой управления, выполненной в виде цилиндра 26 с расположенным в нем поршнем 27, кинематически связанным с тарелкой автоматического клапана 20 штоком 28. Двигатель оснащен турбокомпрессором 29, содержащим в свою очередь газовую турбину 30, приводимую отработавшими газами и компрессор 31 для подачи сжатого воздуха в двигатель 32. Газовая турбина 30 своим газоприемным патрубком подключена к выпускному коллектору 33 двигателя 32 и для выпуска отработавших газов в атмосферу снабжена выпускным патрубком 34. Компрессор 31 своим воздухоприемным патрубком через всасывающий трубопровод 35 сообщен с воздушным патрубком 24, а воздухонапорным патрубком компрессора 31 через нагнетательный трубопровод 36 сообщен с воздушным патрубком 25 воздушного распределительного устройства 19. Выпускной коллектор 33 снабжен обводным трубопроводом 37 с перепускным органом 38. Надпоршневое пространство пневматического цилиндра 26 сообщено с всасывающим патрубком компрессора 31 трубопроводом малого сечения 39 с регулировочным винтом 40. Нагревательный воздушный трубопровод 36 сообщен с одной стороны через балансировочную трубку 41 с наддиафрагменной полостью первой ступени, с другой - через балансировочную трубку 42 - с наддиафрагменной полостью второй ступени газового редуктора 5. 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 он снабжен турбокомпрессором с всасывающим, воздухонапорным и газоприемным патрубками, последний из которых сообщен с выпускным трубопроводом, снабженным органом перепуска выпускных газов с приводом управления, а между воздушным фильтром и переходником-смесителем установлено воздушное распределительное устройство в виде пустотелой проставки, 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, а воздушное распределительное устройство дополнительно снабжено пневматической системой управления, выполненной в виде цилиндра с расположенным в нем поршнем, кинематически связанным с тарелкой автоматического клапана, надпоршневое цилиндрическое пространство которого через трубопровод малого сечения сообщено с всасывающим патрубком турбокомпрессора, причем трубопровод малого сечения снабжен регулировочным винтом.