ДВУХТОПЛИВНЫЙ ГАЗОБЕНЗИНОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B43/06 F02B69/04 

Изобретение относится к двигателестроению, а более конкретно к двухтопливным двигателям внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, используемых 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 [1]
При наддуве плотность воздуха повышается и, следовательно увеличивается количество свежего заряда, поступающего 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 возрастает 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 [1] содержащий выпускной 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 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 к снижению грузоподъемности автомобиля. Кроме того, снижение максимальной мощности газовых двигателей, работающих на сжатом природном газе, сопровождается ухудшением тягово-динамических 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 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, автоматический обратный клапан воздушного распределительного устройства дополнительно снабжен обтекателем, выполненным в виде конуса, причем обтекатель на тарелке клапана расположен вершиной вниз.

На фиг. 1 схематично показано устройство двухтопливного газобензинового двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом; на фиг. 2 - автоматический обратный клапан с обтекателем.

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 трубопроводами 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 размещенными по оси в ее внутренней полости автоматическим обратным клапаном 10 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.

Кроме того, тарелка обратного автоматического клапана 20 дополнительно снабжена обтекателем 26, выполненным в виде конуса, причем обтекатель на тарелке клапана расположен вершиной вниз.

Двигатель оснащен турбокомпрессором 7, содержащим в свою очередь газовую турбину 28, приведенную отработавшими газами и компрессор 29 для подачи воздуха в двигатель 30.

Газовая турбина 28 своим газоприемным патрубком подключена к выпускному коллектору 31 двигателя 30 и для выпуска отработавших газов в атмосферу снабжена выпускным патрубком 32.

Компрессор 29 своим воздухоприемным патрубком через всасывающий трубопровод 33 соосно сообщен с воздушным патрубком 24, а воздухонапорным патрубком компрессора 29 через нагнетательный трубопровод 34 сообщен с воздушным патрубком 25 воздушного распределительного устройства 19.

Выпускной коллектор 31 снабжен обводным трубопроводом 35, оснащенным в свою очередь перепускным органом управления 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 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 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 33, компрессор 29, нагнетательный трубопровод 34 и нижнюю полость 23, образуя горючую смесь. Обратный воздушный клапан 20 при этом, за счет разностей давлений между полостями 22 и 23 (P_о <P_к) с одной стороны и под действием вертикальной составляющей силы вследствие скоростного воздушного напора наддувочного воздуха с другой стороны, плотно прижат к седлу 21. Обтекатель 26 автоматического клапана 20 во внутренней полости 23 распределительного устройства 19 размещен таким образом, при котором наддувочный воздух, поступая в полость распределительного устройства и действуя на обтекатель, заставляет его под действием вертикальной составляющей силы F подниматься вверх в сторону закрытия клапана. 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 30 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 31 и перепускному органу 36, вращают рабочее колесо газовой турбины 28, а вместе с ним и ротор компрессора 29, а удаляются выпускные газы в атмосферу через выпускной патрубок 32.

При увеличении нагрузки и, как следствие, увеличение 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 давления в полостях первой и второй ступеней редуктора, что приводит к возникновению дополнительных 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 обусловливает 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 36 в выпускном коллекторе 31 установлен в положение для подачи выпускных газов в газовую турбину 28.

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 27 при этом не работает, так как в этом случае выпускной коллектор 31 через перепускной орган управления 36 и обводной трубопровод 35 сообщен с выпускным патрубком 32, минуя газоприемный патрубок газовой турбины 28.

Использование: 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 и седлом 21, разделяющим внутреннюю полость проставки на две, сообщающиеся между собой полости 22 и 23. Распределительное устройство 19 снабжено воздушными патрубками 24 и 25. Кроме того, тарелка обратного автоматического клапана 20 дополнительно снабжена обтекателем 26, выполненным в виде конуса, причем обтекатель на тарелке клапана расположен вершиной вниз. Двигатель оснащен турбокомпрессором 27, содержащим в свою очередь газовую турбину 28, приводимую отработавшими газами, и компрессор 29 для подачи сжатого воздуха и двигатель 30. Нагревательный воздушный трубопровод 34 сообщен с одной стороны с наддиафрагменной полостью первой ступени, с другой - наддиафрагменной полостью второй ступени газового редуктора 5. 2 ил.

Двухтопливный газобензиновый двигатeль внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, содержащий впускной трубопровод с закрепленными на нем последовательно карбюратором, переходником-смесителем с патрубками впуска воздухе 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 котором 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, 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 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 автоматический обратный клапан воздушного распределительного устройства дополнительно снабжен обтекателем, выполненным в виде конуса, причем обтекатель на тарелке клапана расположен вершиной вниз.