Интегрированный центробежный нагнетатель - маховик Российский патент 2023 года по МПК F02B39/02 F16F15/30 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к системам принудительного наддува воздуха для двигателей внутреннего сгорания.

Техническая задача: улучшение функциональных возможностей центробежных нагнетателей, расширение спектра применения нагнетателей, повышение надежности и компактности.

Задача решается применением «Интегрированного центробежного нагнетателя - маховика», где рабочее колесо нагнетателя расположено непосредственно на плоскости маховика или на его торцевой части, либо лопасти крыльчатки нагнетателя представляют собой ребра жесткости маховика или его демпфера, причем кожух маховика представляет собой герметичный корпус нагнетателя с расположенными в нем спрямляющим устройством, диффузором и кольцевым воздухосборником.

Уровень техники.

Для повышения мощности двигателей внутреннего сгорания без увеличения их рабочего объема применяются системы наддува воздуха. Нагнетатели воздуха подразделяются на объемные и динамические. По типу привода нагнетатели подразделяются на механические, т.е. приводные нагнетатели и газотурбинные.

Известен турбокомпрессор, состоящий из турбинной и компрессорной частей, где крыльчатка турбины, раскручиваемая потоком выхлопных газов, имеет общий вал с крыльчаткой компрессора, которая в свою очередь нагнетает воздух в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания (далее - ДВС).

Турбокомпрессор является довольно простым по конструкции и эффективным устройством для повышения мощности ДВС без увеличения рабочего объема цилиндров.

В настоящее время практически все современные выпускаемые дизельные двигатели оснащаются системой наддува с одним или несколькими турбокомпрессорами.

В то же время турбокомпрессоры имеют ряд существенных недостатков. Самый существенный из них - это так называемая «турбояма» или «турболаг»: турбокомпрессор имеет запаздывание при резкой акселерации и малоэффективен на низких и средних оборотах двигателя.

Турбокомпрессор работает в экстремально высоких температурных условиях, это в свою очередь требует применения жаропрочных материалов и высокого качества изготовления. К тому же наличие горячей части в замкнутом пространстве моторного отсека пагубно влияет на электропроводку и резинотехнические изделия.

Рабочая скорость вращения крыльчатки турбины находится в диапазоне 20-60 тыс. об/мин., а на некоторых двигателях достигает и 100 тыс. об/мин, что так же требует внимания к качеству материалов и точности изготовления, а также особые условия смазки узлов вращения вала рабочего колеса.

Подшипник вала турбокомпрессора является самой термонапряженной деталью двигателя.

Известен механический или так называемый приводной нагнетатель: в отличие от турбокомпрессора, приводные нагнетатели не имеют турбинной «горячей» части и соответственно термонапряженного подшипникового узла.

Они подразделяются на объемные и динамические.

К объемным относятся кулачковые, спиральные и шиберные нагнетатели. Преимуществом этих типов является линейная зависимость объема подачи нагнетаемого воздуха от оборотов двигателя, что улучшает динамику на малых и средних оборотах ДВС. Существенным минусом таких типов нагнетателей является сложность изготовления и соответственно высокая цена.

К динамическим нагнетателям относятся только центробежные. Они просты по конструкции, не требуют дорогостоящих материалов и высокой точности изготовления.

Но у всех приводных нагнетателей есть один общий недостаток, вытекающий из названия - это привод нагнетателя. Цепной, электрический, ременной или шестеренчатый привод - это дополнительные затраты на трение, необходимость смазки и регулярного обслуживания, сложная система управления (электрический), а также повышенная шумность и проскальзывание при максимальных нагрузках.

Приводной центробежный нагнетатель к тому же требует наличия повышающего редуктора (мультипликатора) для увеличения угловой скорости рабочего колеса нагнетателя по отношению к коленчатому валу. Недостатки такой схемы - большие габариты привода и редуктора, дополнительная система смазки с высокими требованиями к смазочным материалам, сложность герметизации редуктора.

Центробежный нагнетатель с приводом от электродвигателя требует наличия в бортовой сети высокого напряжения, мощного генератора, АКБ большой емкости и системы управления высокооборотным электродвигателем.

Центробежный нагнетатель с приводом от электродвигателя применяется только как дополнение к турбокомпрессору, для работы на переходных режимах. В качестве постоянного источника наддува нагнетатели с электроприводом не используются ввиду значительных потерь на преобразование энергии.

Суть изобретения.

«Интегрированный центробежный нагнетатель - маховик» отличается тем, что лопасти крыльчатки нагнетателя располагаются непосредственно на колесе маховика, а сам кожух маховика является одновременно герметичным корпусом нагнетателя с расположенными в нем воздушными каналами, диффузором и кольцевым воздухосборником (улиткой).

Данная компоновка позволяет компактно разместить нагнетатель «внутри» ДВС, без выступающих за габариты «улиток». Отсутствие элементов привода упрощает конструкцию, снижает потери, повышает надежность и увеличивает ресурс работы нагнетателя.

Маховик - весьма значительная по массе и размеру деталь ДВС, вкупе с кожухом маховика они занимают немалый объем от общего размера ДВС. Размеры кожуха позволяют разместить в нем воздушные каналы, спрямляющие устройство, диффузор и кольцевой воздухосборник без заметных увеличений его внешних габаритов.

Маховик имеет жесткую связь с коленчатым валом, тем самым скорость вращения маховика всегда равна скорости вращения коленчатого вала. Маховик имеет высокую инерционную массу и большую угловую скорость вращения. Большая площадь плоскости маховика позволяет расположить на ней лопасти крыльчатки большого размера, которые на малых и средних оборотах ДВС способны создать высокое давление во впускном тракте. Причем давление наддува в этом случае будет всегда линейно скорости вращения коленчатого вала.

Работа устройства выглядит следующим образом:

При запуске ДВС колесо маховика (1) с расположенными на нем лопастями крыльчатки нагнетателя (2) начинает вращение. Через впускной патрубок (9) на кожухе маховика (3) воздух попадает на лопасти нагнетателя (2) и центробежной силой отбрасывается к периферии крыльчатки, через диффузор попадает в улитку воздушного канала, далее через него во впускной тракт (8) двигателя .

На холостых и малых оборотах двигателя устройство поддерживает необходимый подпор воздуха во впускном коллекторе. При акселерации, обороты двигателя и соответственно маховика увеличиваются, скорость вращения лопастей нагнетателя возрастает согласованно с оборотами ДВС, увеличивая количество нагнетаемого воздуха во впускном тракте. При резком сбросе газа, лопасти нагнетателя, не имея инерции, теряют скорость вращения вместе с маховиком, а соответственно, и с коленчатым валом и не создают во впускном тракте переизбытка давления.

Большой размер лопастей крыльчатки и относительно малая угловая скорость крыльчатки (по сравнению с классическим центробежным нагнетателем) позволяет нагнетать большее количество воздуха при меньшей скорости потока. Меньшая скорость потока воздуха позволяет снизить турбулентность и, соответственно, потери на завихрения и схлестывание потоков.

Создавая избыточное давление в замкнутом пространстве кожуха, крыльчатка, расположенная на маховике, создает упругую нагрузку и непроизвольно гасит колебания самого маховика, выполняя роль демпфера крутильных колебаний, что в свою очередь снижает вибрацию двигателя в целом.

К достоинствам данного нагнетателя можно отнести надежность и долговечность, простоту устройства, эффективность наддува на переходных режимах работы ДВС, отсутствие потерь на привод нагнетателя, линейная согласованность давления наддува с оборотами двигателя, отсутствие инерции рабочего колеса нагнетателя.

Недостатки: отбор части мощность ДВС на вращение лопастей, необходимость герметизации большого по размеру кожуха маховика, герметизация стартера и выходного вала, а при использовании на автомобилях - сложность герметичности механизма сцепления МКПП или гидротрансформатора АКПП.

Область применения:

В первую очередь это ДВС, на которые в силу специфики конструкции или условий эксплуатации невозможна установка классического турбокомпрессора, но для которых крайне важно соотношение удельной мощности на килограмм веса, это подвесные лодочные моторы, мотоциклы и мопеды, двигатели спортивных автомобилей и катеров, а также поршневые двигателя для легкомоторной авиации.

Также предложенное устройство может применяться как ступень контура низкого давления для автомобильных двигателей с классическим турбокомпрессором: это повысит эффективность турбокомпрессора на переходных режимах. На дизельных двигателях с турбокомпрессором в комплексном применении позволит уменьшить размер рабочего колеса компрессора, соответственно его инерционную массу и как следствие «турбояму». Все это позволит повысить динамические характеристики коммерческого транспорта на низких и средних оборотах, что в свою очередь напрямую ведет к экономии топлива и снижению выбросов.

Опционально, для повышения эффективности данного типа нагнетателей возможно применение на них устройства изменяемого шага лопастей, с центробежным или гидравлическим приводом.

Размер плиты маховика позволяет установить в него простейшее центробежное устройство изменения угла атаки лопастей - подвижный подпружиненный груз, связанный с поворотной лопастью посредством винтового паза. На малых оборотах двигателя лопасти находятся в положении максимально большого угла атаки, тем самым нагнетая большое количество воздуха при малых оборотах. При увеличении оборотов двигателя, скорость вращения маховика возрастает и под воздействием центростремительных сил, преодолевая силу сопротивления пружин, груза двигаются к внешнему краю маховика и воздействуют через винтовой паз на основание лопастей, разворачивают лопасти в сторону уменьшения угла атаки. При снижении оборотов ДВС и соответственно скорости вращения маховика, под воздействием сжатых пружин груза возвращаются в нижнее положение и, воздействуя на лопасти, устанавливают больший угол атаки. Такая схема позволяет более гибко варьировать давление во впускном тракте.

Вместо центробежного регулятора возможно использование гидравлического привода. Коленчатый вал по всей длине имеет масляные каналы с моторным маслом под давлением, которое имеет прямую зависимость от оборотов двигателя. В среднем значения колеблются от 1кгс на холостых оборотах до 5-6 кгс на максимальных. Масляный канал из коленчатого вала выводится в полость маховика с расположенным в нем плунжером, связанным с поворотными лопастями крыльчатки компрессора.

Система технически проста в исполнении, но имеет существенный недостаток - это сложность поддержания герметичности такой рабочей жидкости, как моторное масло, с рабочей температурой 120-130 градусов и под давлением 4-5 кгс.

Описание чертежей.

Фиг 1. - Лопасти крыльчатки на плоскости маховика (вид сбоку)

Фиг 2. - Лопасти крыльчатки на плоскости маховика (вид с фронта)

Фиг 3. - Маховик с крыльчаткой на плоскости в кожухе

Фиг 4. - Лопасти крыльчатки на торце маховика (вид сбоку)

Фиг 5. - Лопасти крыльчатки на торце маховика (вид спереди)

Фиг 6. - Маховик с крыльчаткой на торце в кожухе

Фиг 7. - Вид крыльчатки в виде ребер жесткости колеса маховика.

Условные обозначения:

1. Маховик

2. Лопасти крыльчатки нагнетателя

3. Кожух маховика-нагнетателя

4. Коленчатый вал

5. Блок ДВС

6. Выходной вал привода агрегатов

7. Уплотнение выходного вала

8. Патрубок отвода нагнетаемого воздуха

9. Подводящий воздушный патрубок

10. Уплотнение коленчатого вала.

Изобретение может быть использовано в системах принудительного наддува воздуха для двигателей внутреннего сгорания. У интегрированного центробежного нагнетателя – маховика (1) для двигателей внутреннего сгорания лопасти (2) крыльчатки рабочего колеса нагнетателя расположены непосредственно на маховике (1) двигателя. Лопасти (2) могут располагаться на любой из поверхностей маховика (1). Лопасти (2) могут являться встроенными элементами самого маховика (1). Кожух (3) маховика одновременно является герметичным корпусом нагнетателя с проточным каналом, диффузором, спрямляющим устройством и соответствующими патрубками (9) и (8) для подвода воздуха и отведения нагнетаемого воздуха к цилиндрам двигателя. Технический результат заключается в повышении надежности и компактности. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Интегрированный центробежный нагнетатель - маховик для двигателей внутреннего сгорания, характеризующийся тем, что лопасти крыльчатки рабочего колеса нагнетателя расположены непосредственно на маховике двигателя, на любой из его поверхностей или являются встроенными элементами самого маховика, причем кожух маховика одновременно является герметичным корпусом нагнетателя с проточным каналом, диффузором, спрямляющим устройством и соответствующими патрубками для подвода воздуха и отведения нагнетаемого воздуха к цилиндрам.

2. Интегрированный центробежный нагнетатель воздуха для двигателей внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что лопасти крыльчатки рабочего колеса расположены на плоскости маховика, обращенной к двигателю.

3. Интегрированный центробежный нагнетатель воздуха для двигателей внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что лопасти крыльчатки рабочего колеса расположены на плоскости маховика, обращенной от двигателя.

4. Интегрированный центробежный нагнетатель воздуха для двигателей внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что лопасти крыльчатки рабочего колеса расположены на торцевой поверхности маховика.

5. Интегрированный центробежный нагнетатель воздуха для двигателей внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что лопасти крыльчатки рабочего колеса являются элементами самого маховика - его ребрами жесткости или элементами демпфера маховика.

6. Интегрированный центробежный нагнетатель воздуха для двигателей внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что имеет центробежный регулятор установки угла атаки лопасти крыльчатки, изменяющий шаг лопастей в зависимости от угловой скорости маховика посредством воздействия центростремительных сил.

7. Интегрированный центробежный нагнетатель воздуха для двигателей внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что имеет гидравлический регулятор установки угла атаки лопасти крыльчатки, изменяющий шаг лопастей в зависимости от оборотов двигателя и давления моторного масла, с гидроприводом от масляной системы смазки двигателя.