КОМПРЕССОР НАДДУВА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОМПРЕССОРОМ НАДДУВА Российский патент 2014 года по МПК F04B49/16 

Изобретение относится к компрессору наддува для снабжения сжатым воздухом автомобиля для перевозки людей и грузов, содержащему поршневую полость, вредное пространство и клапанное устройство для подключения вредного пространства.

Также изобретение относится к способу управления компрессором наддува для снабжения сжатым воздухом автомобиля для перевозки людей и грузов, содержащим поршневую полость, вредное пространство и клапанное устройство для подключения вредного пространства.

Современные автомобили для перевозки людей и грузов часто оборудуются пневматическими подсистемами, такими, как пневматический рабочий тормоз и пневматическое подвешивание, в связи с чем обычно в автомобиле для перевозки людей и грузов устанавливается устройство для снабжения сжатым воздухом, содержащее компрессор. Кроме того, автомобиль для перевозки людей и грузов обычно содержит двигатель внутреннего сгорания, который часто по соображениям эффективности оборудован турбонагнетателем. В принципе существуют лишь две разных возможности для забора окружающего воздуха компрессором. Одна из них состоит в том, что перед турбонагнетателем производится всасывание несжатого воздуха, при этом всасываться может также просто окружающий воздух, вторая же возможность состоит в том, что за турбонагнетателем, в идеальном случае, за охладителем нагнетаемого воздуха, относящегося к турбонагнетателю, отводят уже предварительно сжатый воздух. В результате всасывания сжатого турбонагнетателем воздуха происходит, в частности, при повышенном числе оборотов двигателя и больших нагрузках на него резкое возрастание расхода воздуха в компрессоре. Однако при низком числе оборотов двигателя почти не отмечается повышенной подачи воздуха. Причиной этого являются типичные конструктивные выполнения турбонагнетателей, которые при низком числе оборотов двигателя и низких нагрузках не создают полезного давления наддува. При этом недостатком является также то, что в компрессоре необходимо использовать очень большие клапаны с тем, чтобы можно было справиться с большими объемными потоками, образующимися при больших давлениях наддува. В случае применения обычных клапанов максимальные давления могут составлять от 20 до 30 бар, которые заметно превышают максимальное давление от 12 до 18 бар, достигаемое без турбонаддува. В качестве альтернативы в этом случае возможно снижение максимального сжатия компрессором за счет постоянно присутствующего вредного пространства, что, однако, отрицательно влияет на подачу воздуха компрессором, в частности, при низком давлении наддува, и подача воздуха на этом участке может дополнительно снизиться. Также необходимо отметить, что автомобиль для перевозки людей и грузов характеризуется повышенным расходом воздуха часто при низком числе оборотов двигателя. Примером этого могут служить переменный режим контейнерной перевозки и расход воздуха автобусами на остановках.

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании компрессора наддува, в котором отсутствуют указанные недостатки.

Эта задача решается посредством признаков независимых пунктов формулы изобретения.

Оптимальные варианты выполнения и варианты развития изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.

Изобретение основано на родовом компрессоре наддува, при этом клапанное устройство выполнено таким образом, что объем воздуха, подаваемый компрессором наддува, может быть уменьшен благодаря подключению вредного пространства до величины, отличной от нуля. В результате подключения вредного пространства и связанного с этим снижения объема подаваемого воздуха снижаются максимальные значения давления, образующегося на фазе сжатия внутри компрессора наддува. Поэтому используемые клапаны могут быть рассчитаны на меньшие объемные потоки, причем одновременно можно отказаться от постоянно присутствующего вредного пространства. Кроме того детали кривошипно-шатунного механизма могут быть выполнены без особого усиления.

При этом предпочтительно предусмотреть, чтобы клапанное устройство содержало несколько отдельно переключаемых клапанов. Подключение вредного пространства осуществляется обычно посредством включения клапанного устройства, которым обеспечивается сообщение между поршневой камерой и вредным пространством в виде заданного проходного сечения клапана. Через это заданное проходное сечение компрессор наддува засасывает воздух на фазе сжатия во вредное пространство. Наряду с объемом вредного пространства значение имеет также проходное сечение клапана при разблокированном сообщении, так как оно определяет сопротивление воздушного потока. Несколько раздельно переключаемых клапанов позволяют, поэтому увеличивать проходное сечение клапанов, согласованное с давлением нагнетания, или уменьшать сопротивление потока.

Также целесообразно предусмотреть, чтобы вредное пространство состояло из нескольких отдельных участков, отдельно включаемых клапанным устройством. Подключение дополнительного участка вредного пространства позволяет дополнительно снизить в случае необходимости максимальное давление, возникающее в компрессоре наддува.

В качестве альтернативы можно предусмотреть, чтобы клапанное устройство содержало клапан, по меньшей мере, с двухступенчатым переключением. Также с помощью клапана, по меньшей мере, двухступенчатого переключения можно согласовывать в случае необходимости разблокированное проходное сечение клапана на участке между поршневой полостью и вредным пространством, в результате чего возникающие в компрессоре наддува максимальные значения давления могут быть постепенно снижены.

В частности, можно предусмотреть, чтобы подаваемый компрессором наддува объем воздуха можно было снизить до нуля подключением вредного пространства. Если разблокированное клапанным устройством проходное сечение клапана на участке между поршневой полостью и вредным пространством является достаточно большим и одновременно объем вредного пространства является достаточным, то создаваемый компрессором наддува напор может понижаться до величины, лежащей ниже давления, необходимого для перемещения объема воздуха. В таком состоянии компрессор наддува не подает более воздух и соответственно меньше потребляет энергии, так как совершает меньшую работу. Таким образом, может быть создана система экономии энергии.

Далее можно предусмотреть, чтобы муфта компрессора имела такое выполнение, при котором обеспечивается разобщение между компрессором наддува и двигателем. В результате полного разобщения компрессора и двигателя подача воздуха и, как следствие, нагрузка на компрессор снижаются до нуля.

Изобретение основано на родовом способе, при котором объем воздуха, подаваемый компрессором наддува, уменьшается до отличной от нуля величины путем подключения вредного пространства.

Таким образом реализуются преимущества и особенности компрессора согласно изобретению также в рамках способа. Это относится также к приводимым ниже предпочтительным вариантам выполнения способа согласно изобретению.

Эффективным вариантом развития способа является вариант, при котором на подаваемый объем воздуха воздействуют изменением открытого проходного сечения клапанного устройства между вредным пространством и поршневой полостью.

Также можно предусмотреть, чтобы подаваемый компрессором наддува объем воздуха снижался до нуля в результате подключения вредного пространства.

Целесообразно предусмотреть, чтобы, по меньшей мере, одно условие по подключению вредного пространства выполнялось только на фазе ускорения автомобиля для перевозки людей и грузов.

В частности, можно предусмотреть, чтобы подключение вредного пространства происходило в зависимости от, по меньшей мере, одной из следующих величин:

- число оборотов двигателя,

- число оборотов турбонагнетателя,

- давление наддува турбонагнетателя,

- нагрузка на двигатель,

- необходимое количество воздуха для автомобиля для перевозки людей и грузов.

Давление наддува турбонагнетателя или число оборотов турбонагретателя или число оборотов двигателя и нагрузка на двигатель могут быть использованы в качестве решающих факторов для определения целесообразности подключения вредного пространства для снижения образующегося в компрессоре с наддувом максимального давления. Кроме того, необходимое количество воздуха для автомобиля для перевозки людей и грузов может оцениваться как критерий подключения вредного пространства. Если автомобиль для перевозки людей и грузов располагает достаточным количеством сжатого воздуха, то компрессор наддува может быть переведен, независимо от других величин, на энергосберегающий режим.

Предпочтительно муфту компрессора включать для отсоединения компрессора от двигателя.

Оптимально предусмотреть, чтобы, по меньшей мере, одно условие по включению муфты выполнялось только на фазе ускорения автомобиля для перевозки людей и грузов.

В частности, можно предусмотреть, чтобы включение муфты происходило в зависимости от, по меньшей мере, одной из следующих величин:

- число оборотов двигателя,

- число оборотов турбонагнетателя,

- давление наддува турбонагнетателя,

- нагрузка на двигатель,

- необходимое количество воздуха для автомобиля для перевозки людей и грузов.

Ниже в качестве примера изобретение поясняется со ссылкой на приложенные чертежи и с помощью особо предпочтительных вариантов выполнения.

При этом изображено:

фиг.1 - схематическое упрощенное изображение автомобиля с компрессором наддува;

фиг.2 - компрессор в разрезе;

фиг.3 - подаваемый объем воздуха компрессором наддува согласно изобретению в зависимости от давления наддува;

фиг.4 - характеристическое поле двигателя с разными рабочими диапазонами компрессора наддува согласно изобретению для иллюстрации способа.

На последующих чертежах одинаковыми позициями обозначены одинаковые или схожие детали.

На фиг.1 в схематическом упрощенном виде показан автомобиль 12 для перевозки людей и грузов с компрессором 10 наддува. Автомобиль 12 для перевозки людей и грузов приводится в действие двигателем 20, поток отработавшего газа которого приводит в действие турбонагнетатель 22. Турбонагнетатель 22 засасывает через воздушный фильтр 24 свежий воздух, подаваемый в двигатель 20 с давлением наддува, определяемым массовым потоком отработавшего газа двигателя. Компрессор 10 наддува также снабжается свежим воздухом через узловую точку 26, при этом узловая точка 26 располагается перед турбонагнетателем 22. При этом возможно, чтобы между узловой точкой 26 и турбонагнетателем 22 дополнительно располагался охладитель наддувочного воздуха, которым снова охлаждает предварительно сжатый турбонагнетателем 22 воздух. Кроме того, компрессор 10 оборудован муфтой 72, расположенной между двигателем 20 и компрессором 10. Размыканием муфты 72 достигается отсоединение компрессора 10 от двигателя 20.

На фиг.2 показан компрессор 10 в разрезе. Компрессор 10 содержит корпус 38 цилиндра с охлаждающими ребрами 40, который охватывает расположенный в поршневой полости 14 поршень 36, приводимый в действие коленчатым валом 42. Наличие охлаждающих ребер 40 не является обязательным, но они обеспечивают охлаждение цилиндрического корпуса 38, при этом другие, не показанные виды охлаждения корпуса 38 цилиндра, например, водяное охлаждение, часто облают более высокой мощностью охлаждения. Кроме того, показаны отверстие 30 для впуска воздуха с клапаном 28 для впуска воздуха, отверстие 34 для выпуска воздуха с клапаном 32 для выпуска воздуха и вредное пространство 16 с клапанным устройством 18.

На показанной фазе всасывания воздуха поршень 36 перемещается вниз в поршневой полости 14, при этом воздух засасывается через клапан 28 для впуска воздуха из отверстия 30 для впуска воздуха в поршневую полость 14. На фазе всасывания клапан 32 для выпуска воздуха остается закрытым, что обусловлено его конструкцией. На не показанной фазе подачи воздуха поршень 36 перемещается в поршневой полости 14 вверх, при этом клапан 28 для впуска воздуха закрывается, клапан 32 для выпуска воздуха открывается при достижении достаточно высокого давления и воздух поступает в отверстие 34 для выпуска воздуха.

При включении клапанного устройства 18 происходит сообщение между поршневой полостью 14 и вредным пространством 16, благодаря чему воздух может перетекать. Сопротивление потока зависит при этом по существу от разблокированной площади проходного сечения клапана, при котором включается клапанное устройство 18. Если компрессор 10 находится на фазе подачи воздуха, то воздух сжимается не только внутри поршневой полости 14, но и во вредном пространстве 16. Следовательно, снижается относительное сжатие воздуха, так как сжимаемый объем поршневой полости увеличивается на величину объема вредного пространства в том случае, когда клапанное устройство 18 разблокирует достаточно большое проходное сечение клапана. Если же разблокированное проходное сечение клапана не является достаточно большим, то оно действует как дроссель. В этом случае образовавшееся при сжатии давление будет снижаться менее интенсивно.

Если объем вредного пространства 16 и разблокированное клапанным устройством 18 проходное сечение клапана превысит определенный предел, то образующееся на фазе подачи воздуха в поршневой полости 14 давление будет ниже давления на участке отверстия 34 для выпуска воздуха. В этом случае воздух более не подается, при этом одновременно требуется меньше работы для сжатия воздуха. Таким образом обеспечивается система энергосбережения для компрессора 10 наддува.

На фиг.3 показан объем воздуха, подаваемого компрессором 10 согласно изобретению, в зависимости от давления наддува. Сплошными линиями 44, 46, 48, 50 показаны кривые, полученные интерполяцией на основе соответствующих информационных точек и показывающие подаваемый объем воздуха компрессором наддува в зависимости от частоты вращения компрессора. Кривая 44 соответствует поданному объему воздуха без турбонаддува, т.е. давлению наддува 0 пси. Кривые 46, 48, 50 соответствуют давлению наддува 20 пси, 40 пси и 60 пси. Также показана пунктирная линия 52, которой передается измеренное поданное количество воздуха компрессором наддува согласно изобретению в зависимости от числа оборотов компрессора. На нижнем участке этой кривой, при скорости вращении от ок. 600 до 800 об/мин., кривая 52 совпадает с кривой 44. Такие скорости вращения компрессора 10 коррелируется с низкой скоростью вращения двигателя 20, в котором турбонагнетатель 22 не может еще создать значительного давления наддува. При скорости вращения от 800 до 3000 об/мин, увеличивается подаваемое количество воздуха вследствие возрастания давления наддува в компрессоре 10, однако выравнивается на верхнем участке при достижении максимального давления наддува в применяемом турбонагнетателе 22. Следует обратить внимание, что компрессор 10 с наддувом согласно изобретению подает, по меньшей мере, одинаковое количество воздуха, что и компрессор без наддува, показанный кривой 44. В частности, на холостом ходу может поэтому подаваться, по меньшей мере, одинаковое количество воздуха, что и без турбонаддува.

На фиг.4 показано характеристическое поле двигателя с разными рабочими диапазонами компрессора наддува согласно изобретению для иллюстрации применения способа. Обычным образом нанесены по оси x число оборотов двигателя, по оси y производимый двигателем вращательный момент и дополнительно - если смотреть справа - в виде гипербол линии одинаковой мощности двигателя. Кроме того, внутри характеристического поля показаны линии одинакового давления наддува в миллибарах. Первый рабочий диапазон 62, второй рабочий диапазон 64 и третий рабочий диапазон 66 отделены от первого предела включения 58 и второго предела включения 60. Жирной линией 56 показана измеренная кривая технической характеристики двигателя, на основе которой ниже будет поясняться способ.

В первом рабочем диапазоне компрессора наддува вредное пространство 16 остается не подключенным. Во втором рабочем диапазоне 64 вредное пространство 16 частично подключено через клапанное устройство 18, и в третьем рабочем диапазоне 66 вредное пространство 16 подключено полностью или же муфта 72 расцеплена. На холостом ходу в первом рабочем диапазоне 62 автомобиль для перевозки людей и грузов ускоряется, при этом состояние двигателя 20 изменяется, как показано слева внизу направо вверх по s-образной кривой 56 на характеристическом поле двигателя. При достижении первого предела включения 58 вредное пространство подключается частично с тем, чтобы понизить образовавшееся в компрессоре 10 наддува максимальное давление во время сжатия воздуха. С увеличением частоты вращения быстро возрастает создаваемое турбонагнетателем 22 давление наддува и при достижении второго предела включения 60 происходит полное подключение вредного пространства для повторного понижения максимального давления в компрессоре 10 с наддувом, например, расцепляется муфта 72 и компрессор 10 полностью разобщается с двигателем 20. При достижении верхней точки 70 включения включается следующая, более высокая передача не показанной коробки передач, причем одновременно резко снижается число оборотов двигателя 20. При новом включении передачи коробки передач число оборотов двигателя снова возрастает до точки 70. В процессе переключения кривая 56 снова пересекает второй предел включения 60, в результате чего вредное пространство 16 снова частично отключается или же муфта 72 снова сцепляется. Следует иметь в виду, что первый предел включения 58 выбирает таким образом, чтобы на фазе ускорения автомобиля 12 для перевозки людей и грузов он пересекался лишь однажды. Все последующие процессы протекают во втором 64 и третьем 66 рабочих диапазонах. При достижении автомобилем 12 конечной скорости двигатель 20 обычно находится в нормальной рабочем диапазоне 68, расположенном на удалении от первого 58 и второго 60 пределов включения. Также возможно перевести компрессор путем подключения дополнительного вредного пространства или путем увеличения свободного проходного сечения клапана в энергосберегающее состояние, в котором количество подаваемого воздуха упадет до нуля.

Признаки изобретения, раскрытые в описании, на чертежах и в формуле изобретения, являются существенными как раздельно взятые, так и в любом их сочетании при осуществлении изобретения.

Перечень позиций

10 компрессор 12 автомобиль для перевозки людей и грузов 14 поршневая полость 16 вредное пространство 18 клапанное устройство 20 двигатель 22 турбонагнетатель 24 воздушный фильтр 26 узловая точка 28 клапан для впуска воздуха 30 отверстие для впуска воздуха 32 клапан для выпуска воздуха 34 отверстие для выпуска воздуха 36 поршень 38 корпус цилиндра 40 охлаждающее ребро 42 коленчатый вал 44 давление наддува 0 пси 46 давление наддува 20 пси 48 давление наддува 40 пси 50 давление наддува 60 пси 52 измеренные величины 54 холостой ход 56 кривая замера 58 первый предел включения 60 второй предел включения 62 первый рабочий диапазон 64 второй рабочий диапазон 66 третий рабочий диапазон 68 нормальный рабочий диапазон 70 точка включения 72 муфта

Изобретение касается компрессора наддува (10) для снабжения сжатым воздухом автомобиля (12), предназначенного для перевозки людей и грузов. Техническим результатом является повышение экономичности. Сущность изобретения заключается в том, что компрессор содержит поршневую полость (14), вредное пространство (16) и клапанное устройство (18) для подключения вредного пространства (16). Согласно изобретению предусмотрено, чтобы клапанное устройство (18) было выполнено таким образом, чтобы объем воздуха, подаваемый компрессором наддува, мог уменьшаться подключением вредного пространства (16), а клапанное устройство (18) содержит клапан, по меньшей мере, двухступенчатого включения. Также изобретение касается способа управления компрессором наддува (10) для снабжения сжатым воздухом автомобиля (12), предназначенного для перевозки людей и грузов, содержащим поршневую полость (14), вредное пространство (16) и клапанное устройство (18) для подключения вредного пространства (16). 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Компрессор (10) наддува для снабжения сжатым воздухом автомобиля (12), предназначенного для перевозки людей и грузов, содержащий поршневую полость (14), вредное пространство (16) и клапанное устройство (18) для подключения вредного пространства (16), причем клапанное устройство (18) выполнено таким образом, что объем воздуха, подаваемый компрессором (10) наддува, уменьшается посредством подключения вредного пространства (16), отличающийся тем, что клапанное устройство (18) содержит клапан, по меньшей мере, двухступенчатого включения.

2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что клапанное устройство (18) состоит из нескольких отдельно включаемых клапанов.

3. Компрессор по п.2, отличающийся тем, что вредное пространство (16) состоит из нескольких отдельных участков, подключаемых клапанным устройством (18) раздельно.

4. Компрессор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что объем воздуха, подаваемый компрессором (10) наддува, уменьшается посредством подключения вредного пространства (16) до нуля или до величины, отличной от нуля.

5. Компрессор по п.4, отличающийся тем, что муфта (72) компрессора (10) наддува установлена с возможностью отделять компрессор (10) наддува от двигателя (20).

6. Автомобиль (12), предназначенный для перевозки людей и грузов, содержащий компрессор (10) наддува по любому из предыдущих пунктов.

7. Способ управления компрессором (10) наддува для снабжения сжатым воздухом автомобиля (12), предназначенного для перевозки людей и грузов, содержащим поршневую полость (14), вредное пространство (16) и клапанное устройство (18) с клапаном, по меньшей мере, двухступенчатого включения для подключения вредного пространства (16), причем объем воздуха, подаваемый компрессором наддува (10), уменьшают подключением вредного пространства (16), отличающийся тем, что на объем подаваемого воздуха воздействуют изменением открытого проходного сечения клапанного устройства (18) на участке между вредным пространством (16) и поршневой полостью (14).

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что подключением вредного пространства (16) объем воздуха, подаваемый компрессором наддува (10), уменьшают до нуля или до величины, отличной от нуля.

9. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно условие для подключения вредного пространства (16) выполняют только на фазе ускорения автомобиля (12) для перевозки людей и грузов.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что подключение вредного пространства (16) осуществляют в зависимости, по меньшей мере, от одной из следующих величин:
- число оборотов двигателя,
- число оборотов турбонагнетателя,
- давление наддува турбонагнетателя,
- нагрузка на двигатель,
- количество воздуха, необходимое для автомобиля для перевозки людей и грузов.

11. Способ по любому из пп.7, 8, 10, отличающийся тем, что муфту (72) компрессора (10) включают для отсоединения компрессора (10) от двигателя (20).

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно условие для включения муфты (72) выполняют только на фазе ускорения автомобиля (12) для перевозки людей и грузов.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что включение муфты (72) производят в зависимости, по меньшей мере, от одной из следующих величин:
- число оборотов двигателя,
- число оборотов турбонагнетателя,
- давление наддува турбонагнетателя,
- нагрузка на двигатель,
- количество воздуха, необходимое для автомобиля для перевозки людей и грузов.