ДВИГАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМОЙ СИСТЕМОЙ ТУРБОНАДДУВА Российский патент 2018 года по МПК F02B37/24 F02D23/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно к системам наддува дизелей.

Наиболее близким аналогом по отношению к заявленному изобретению является двигатель внутреннего сгорания с высокой ограничительной характеристикой и высокой скоростью приема нагрузки (патент Российской Федерации №2383756), в котором управление турбонаддувом осуществляется с помощью регистровой системы турбонаддува, состоящей из двух и более турбокомпрессоров, каждый из которых может отключаться либо подключаться дистанционной системой управления в зависимости от режима работы двигателя, а также с помощью дополнительно установленных камер сгорания, установленных перед турбокомпрессорами.

Недостатком такой системы является релейное изменение общего проходного сечения системы турбокомпрессоров, в результате чего при включении или отключении одной или нескольких турбин внешняя ограничительная характеристика двигателя имеет излом, как показано на фиг. 2.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение мощности и экономичности двигателей, работающих в широком диапазоне частоты вращения и нагрузок с обеспечением ограничительной характеристики без излома. Указанный технический результат достигается за счет того, что на известный двигатель устанавливаются один или более турбокомпрессоров с управляемыми сопловыми направляющими аппаратами турбин, угловое положение лопаток которых обеспечивается исполнительными устройствами, приводимыми в действие с помощью управляющих сигналов от электронной управляющей системы на базе специализированного компьютера, программа которого содержит заданную матрицу режимов работы двигателя, в которую заложены оптимальные взаимосвязанные параметры частот вращения коленчатого вала, мощностей, температур отработавших газов, давлений наддувочного воздуха, частот вращения роторов турбокомпрессоров и угловых положений лопаток направляющих сопловых аппаратов турбин.

На фиг. 1 показаны основные элементы двигателя. Двигатель (1) внутреннего сгорания V-образный, Содержит два турбокомпрессора (2) и (3), подвод газов к каждому осуществляется из выпускных коллекторов (4) и (5), расположенных с двух сторон двигателя (1). Воздух, нагнетаемый компрессорами турбокомпрессоров (2) и (3), проходя через общий охладитель наддувочного воздуха (7), поступает в общий воздушный ресивер (6) в цилиндры (19). Турбины турбокомпрессоров (2) и (3) оборудованы регулируемыми направляющими сопловыми аппаратами, которые управляются исполнительными устройствами (8) и (9), одновременно являющимися датчиками углового положения лопаток направляющего соплового аппарата турбин (2) и (3).

Электронная управляющая система (10) выполнена в виде отдельного модуля.

На выходном валу установлен датчик крутящего момента (16).

На выпускных коллекторах установлены датчики (11) и (12) температур отработавших газов, в воздушном ресивере установлен датчик (13) давления воздуха. Со стороны компрессорных частей турбокомпрессоров (2) и (3) установлены датчики (15) и (14) частоты вращения роторов турбокомпрессоров.

Датчик (17) частоты вращения коленчатого вала двигателя (1) установлен на приводе регулятора (18).

Двигатель работает следующим образом.

В электронную управляющую систему установлена программа в виде матрицы рабочих режимов двигателя, задающая значения частот вращения двигателя в зависимости от крутящего момента на его выходном валу. Для каждого сочетания частоты вращения и крутящего момента заданы давления наддувочного воздуха, являющиеся функцией частоты вращения роторов турбокомпрессоров.

Частота вращения роторов турбокомпрессоров является функцией температуры отработавших газов, массового расхода этих газов и проходного сечения направляющего соплового аппарата, которое в свою очередь определяется угловым положением лопаток направляющего соплового аппарата турбин.

Информация о состоянии двигателя как источника энергии поступает в электронную управляющую систему от исполнительных устройств (8) и (9), изменяющих положение лопаток сопловых аппаратов турбин, а также от датчиков (11), (12), (13), (14), (15), (16), (17). Заданная частота вращения коленчатого вала двигателя обеспечивается изменением цикловой подачи топлива, осуществляемым регулятором частоты вращения (18) под действием управляющего сигнала от электронной управляющей системы (10).

В зависимости от результатов сравнения параметров заданных в матрице режимов и реальных показателей, полученных от датчиков, электронная управляющая система с заданным темпом увеличивает или уменьшает сечения сопловых направляющих аппаратов турбин, обеспечивая оптимальное давление наддува. В случае выхода за заданные пределы параметров температур, частот вращения (при необходимости и других параметров) электронная управляющая система переводит работу двигателя на приемлемый режим.

Предлагаемое техническое решение использовано на головном образце двигателя 12ЛДГ500 (12ЧН26, 5/31) Коломенского завода. Результаты испытаний подтвердили заявленный технический результат.

Изобретение может быть использовано в системах наддува дизельных двигателей. Судовой двигатель (1) снабжен управляемой системой турбонаддува с изменением положения лопаток направляющего соплового аппарата турбины. Двигатель (1) содержит турбокомпрессоры (2), (3), системы воздухоснабжения, газовыхлопа, топливоподачи, электронную управляющую систему (10). Электронная управляющая система (10) получает информацию о крутящем моменте на валу двигателя (1), частотах вращения коленчатого вала и роторов турбокомпрессоров (2), (3), температуры отработавших газов перед турбинами, и исполнительных устройств (8), (9), изменяющих положение лопаток сопловых аппаратов турбин. Исполнительные устройства (8), (9), изменяющие положение лопаток сопловых аппаратов турбин, являются одновременно датчиками, отображающими фактическое угловое положение лопаток направляющих сопловых аппаратов турбин. Сигнал с исполнительных устройств (8), (9) поступает в электронную управляющую систему (10) параллельно сигналам от датчиков (11)-(17) крутящего момента двигателя, температуры отработавших газов, частот вращения коленчатого вала и роторов турбокомпрессоров. Совокупность этих сигналов после обработки в управляющей электронной системе (10) и сравнения с заданными их величинами в виде матрицы рабочих режимов обеспечивает генерирование управляющих электрических сигналов на исполнительные устройства (8), (9), реализующие необходимое положение лопаток сопловых аппаратов турбин, соответствующее режимам работы двигателя, обеспечивая оптимальное согласование гидравлических характеристик дизельного двигателя и компрессорной части двигателя за счет изменения частоты вращения роторов турбокомпрессоров. Технический результат заключается в согласовании гидравлических характеристик двигателя и компрессорной части двигателя за счет изменения частоты вращения роторов турбокомпрессоров. 2 ил.

Судовой двигатель с управляемой системой турбонаддува путем изменения положения лопаток направляющего соплового аппарата турбины, состоящий из дизельного двигателя, одного или более турбокомпрессоров, систем воздухоснабжения, газовыхлопа, топливоподачи, электронной управляющей системы, получающей информацию о крутящем моменте на валу двигателя, частотах вращения коленчатого вала и роторов турбокомпрессоров, температуре отработавших газов перед турбинами, и исполнительных устройств, изменяющих положение лопаток сопловых аппаратов турбин, отличающийся тем, что исполнительные устройства, изменяющие положение лопаток сопловых аппаратов турбин, являются одновременно датчиками, отображающими фактическое угловое положение лопаток направляющих сопловых аппаратов турбин, сигнал с которых поступает в электронную управляющую систему параллельно сигналам от датчиков крутящего момента двигателя, температуры отработавших газов, частот вращения коленчатого вала и роторов турбокомпрессоров, а совокупность этих сигналов после обработки в управляющей электронной системе и сравнения с заданными их величинами в виде матрицы рабочих режимов обеспечивает генерирование управляющих электрических сигналов на исполнительные устройства, реализующие необходимое положение лопаток сопловых аппаратов турбин, соответствующее режимам работы двигателя, обеспечивая оптимальное согласование гидравлических характеристик дизельного двигателя и компрессорной части двигателя за счет изменения частоты вращения роторов турбокомпрессоров.