ТУРБОКОМПРЕССОР С КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СВЯЗЬЮ РОТОРА С КОЛЕНЧАТЫМ ВАЛОМ ДВС Российский патент 2024 года по МПК F02B37/10 F02B37/12 F02B39/04 F02B39/12 F02B37/14 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к устройствам для воздухоподачи двигателя внутреннего сгорания (ДВС), оснащённым системой газотурбинного наддува.

Известно устройство «Турбокомпрессор» (патент РФ № 2202052, МПК F04D 25/04 (2000.01), F02B 37/00 (2000.01), 10.04.2003, бюл. № 10), содержащее рабочие колеса турбины и компрессора, размещенные по двухконсольной схеме с расположением подшипников между ними, корпус подшипников снабжён уплотнительными кольцами. В кольцах имеются радиальные каналы.

Недостатком данного устройства является инерционность, в результате которой появляется «турбояма», снижающая мощность двигателя при пуске, разгоне.

Наиболее близким является изобретение «Устройство для наддува двигателя внутреннего сгорания» (авторское свидетельство СССР №1502864, МПК F02B 37/00 (2000.01), F02B 39/12 (2000.01), опубл. 23.08.1989), содержащее воздушный компрессор и газовую турбину, шестерёнчатую передачу для соединения ведущего вала с коленчатым валом ДВС муфтой соединения ведущего вала с валом турбины и отключаемой фрикционной муфтой.

Недостатками данного устройства являются высокая конструктивная сложность и металлоёмкость, высокая стоимость изготовления, применение которого снижает надёжность системы при работе в Российских климатических условиях. В условиях стохастичности нагрузок, например при работе трактора на вспашке, при резком увеличении нагрузки обороты коленчатого вала ДВС падают, машинист трактора нажимает на педаль управления топливным насосом высокого давления (ТНВД), подавая дополнительное количество топлива в цилиндры ДВС, оснащённого газотурбинным наддувом, стараясь повысить обороты коленчатого вала ДВС, из выхлопной трубы вырывается чёрный дым, но увеличение оборотов ДВС оказывается незначительным, т.к. турбокомпрессор, обладая инерционностью, не может мгновенно раскрутиться и подать большее количества воздуха для сгорания дополнительного топлива, поданного в цилиндры ДВС в результате нажатия на педаль управления ТНВД. Это явление называется «турбоямой», т.е. задержкой увеличения подачи воздуха компрессором турбокомпрессора, к тому же турбокомпрессор на малых частотах вращения коленчатого вала ДВС неэффективен, т.к. количество газов, проходящих через турбину ТКР невелико. Существует понятие «порог включения турбокомпрессора», т.е. начало его эффективной работы. Поэтому при работе на малых частотах вращения коленчатого вала более эффективными являются приводные компрессоры, которые тоже не лишены недостатков, они отличаются более низким КПД и более высоким расходом топлива по сравнению с газотурбинным наддувом. Однако, при стохастичности нагрузок, в частности при резком увеличении нагрузки, обороты коленчатого вала снижаются, снижая частоту вращения жестко связанного с ним приводного нагнетателя и, следовательно, снижая подачу воздуха в цилиндры ДВС. Последствия этого явления приводят к неполному сгоранию топлива в цилиндрах ДВС, выбросу в атмосферу канцерогенов, перегрева ДВС и снижению производительности трактора, а также повышенному расходу топлива. С целью устранения недостатков системы газотурбинного и приводного наддувов применяют комбинированную систему наддува, т.е. систему, состоящую из приводного компрессора для эффективной работы ДВС на малых оборотах коленчатого вала и турбокомпрессора для эффективной работы ДВС на средних и высоких оборотах коленчатого вала. Однако, комбинированная система наддува в условиях стохастичности нагрузок также может оказаться малоэффективной.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности наддува, снижении расхода топлива и выброса вредных веществ с выхлопным газами, снижении влияния стохастичности нагрузок на ДВС и вероятности перегрева ДВС, устранении "турбоямы" при разгоне ДВС и при работе в условиях стохастичности нагрузки, а также повышении КПД турбокомпрессора и ДВС за счёт использования избыточного давления выхлопных газов.

Указанный технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что турбокомпрессор с кинематической связью ротора с коленчатым валом ДВС, имеющий ротор, кинематически связанный с коленчатым валом ДВС через ускоряющий редуктор, ведущая шестерня которого жёстко связана с коленчатым валом ДВС, согласно заявленному изобретению ведомая шестерня ускоряющего редуктора жёстко закреплена на вторичном валу двухступенчатой гидромеханической передачи (ГМП), который в свою очередь соединён с помощью внутренних шлицов с ведущими металлокерамическими дисками фрикциона, корпус фрикциона в свою очередь с помощью ведомых стальных дисков с наружными шлицами соединён с первичным валом, связанным с гидротрансформатором (ГТР), на выходном валу ГТР жёстко закреплена ведущая шестерня второго ускоряющего редуктора, а ведомая шестерня второго ускоряющего редуктора жёстко закреплена на валу ротора турбокомпрессора, также на вторичном валу ГМП жёстко закреплена ведущая полумуфта обгонной муфты, а ведомая полумуфта обгонной муфты жестко закреплена на шестерне промежуточного вала, ведущая шестерня промежуточного вала в свою очередь передаёт вращение на ведомую шестерню корпуса фрикциона, которая связана с ведущими керамическими дисками фрикциона, а ведомые стальные диски фрикциона наружными шлицами связаны с корпусом фрикциона, а корпус фрикциона жестко связан с первичным валом ГМП, первичный вал в свою очередь связан с турбинным колесом ГТР, а насосное колесо ГТР связано с выходным валом, на котором жёстко закреплена ведущая шестерня второго ускоряющего редуктора, при этом управление ГМП осуществляется с помощью электронного блока управления (ЭБУ). Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема турбокомпрессора с кинематической связью ротора с коленчатым валом ДВС.

Турбокомпрессор с кинематической связью ротора с коленчатым валом ДВС для преодоления стохастичности нагрузок и повышения КПД ТКР и ДВС работает следующим образом.

При малых оборотах коленчатого вала 1 ДВС эффективность турбокомпрессора 2 мала, необходимый наддув воздуха обеспечивается за счёт того, что привод вала ротора 3 ТКР 2 осуществляется от коленчатого вала 1 ДВС, при этом по команде ЭБУ срабатывает фрикцион 4, блокирующий колесо 5 с первичным валом 6, и фрикцион 7, блокирующий ГТР 8 через ведущую шестерню ускоряющего редуктора 9, связанного жёстко с коленчатым валом 1 ДВС на ведомую шестерню ускоряющего редуктора 10 и через замкнутую обгонную муфту 11. Крутящий момент передаётся на ведущую шестерню промежуточного вала 12 жестко закрепленного на промежуточном валу 13 ГМП, с него на ведомую шестерню промежуточного вала 14, затем на ведомую шестерню 5 корпуса фрикционов и через замкнутый фрикцион 4 передаётся на корпус фрикциона 15, затем на первичный вал 6 ГМП и с него на ГТР 8, на выходной вал 16 ГТР 8, затем на ведущую шестерню 17 второго ускоряющего редуктора, затем на ведомую шестерню 18 этого редуктора и на вал ротора 3 ТКР 2, вызывая разгон последнего, а соответственно, и повышение подачи воздуха компрессором турбокомпрессора, что в свою очередь позволяет избежать явления «турбоямы» и увеличить обороты коленчатого вала 1 ДВС. При достижении ДВС достаточных для нормальной работы турбокомпрессора 2 оборотов коленчатого вала 1, когда образуется достаточное для нормальной работы ТКР 2 количество отработавших газов, происходит преодоление порога наддува, по команде ЭБУ фрикцион 4 разблокируется, вследствие чего также разблокируется фрикцион 7, и блокируется фрикцион 19, т.е. включается прямая передача, крутящий момент передаётся от коленчатого вала 1 ДВС на ведущую шестерню 9 ускоряющего редуктора, на ведомую шестерню этого редуктора 10, жёстко посаженного на вторичный вал 20 ГМП, и через заблокированный фрикцион 19 и корпус фрикционов 15 крутящий момент поступает на первичный вал 6 ГМП, затем на ГТР 8, обеспечивающий демпфирование крутильных колебаний коленчатого вала 1 ДВС и уменьшение их влияния на вал ротора 3 ТКР 2, на выходной вал 16 ГТР 8 и через второй ускорительный редуктор на вал ротора 3 ТКР 2. Когда ДВС выходит на максимальные обороты, фрикцион 7 блокируется и избыточный крутящий момент, возникающий на валу ротора 3 ТКР 2, передается в обратном направлении, т.е. на коленчатый вал 1ДВС, повышая его КПД, при этом исключается передув воздуха компрессором турбокомпрессора 2. При возникновении перегрузки, обороты коленчатого вала 1 ДВС и, соответственно, ротора 3 турбокомпрессора 2 падают, по команде ЭБУ блокируются фрикционы 7 и 4 и крутящий момент на вал ротора 3 ТКР 2 вновь поступает от коленчатого вала 1 ДВС, повышая обороты вала ротора 3 ТКР 2 и, соответственно, напор воздуха компрессором турбокомпрессора, что в совокупности с дополнительным количеством топлива, подаваемым корректором топливного насоса высокого давления ДВС, позволяет развить дополнительную мощность, исключает возникновение явления «турбоямы» и позволяет преодолеть перегрузку без переключения передачи в трансмиссии автомобиля.

Получив дополнительную порцию воздуха, ДВС мгновенно раскручивается, увеличивает обороты коленчатого вала и преодолевает возникшее сопротивление на коленчатом валу, а соответственно, и на маховике ДВС в результате стохастичности. Газы, образовавшиеся в результате сгорания дополнительного воздуха и топлива, раскручивают турбину турбокомпрессора и связанное с ним рабочее колесо компрессора, что приводит к увеличению его производительности. Обороты коленчатого вала 1 возрастают, происходит преодоление порога наддува и, соответственно, наддув воздуха в ДВС производится только за счёт энергии выхлопных газов. Двигатель развивает штатные обороты. Таким образом преодолевается стохастичность нагрузок, возникающая на маховике ДВС.

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить производительность автомобиля, снизить расход топлива и выброс вредных веществ с выхлопными газами, снизить влияние стохастичности нагрузок на ДВС, а также снизить вероятность перегрева ДВС, исключить явление «турбоямы» ТКР и повысить КПД ДВС за счёт использования избыточного давления выхлопных газов, передающих энергию через вал ротора ТКР по кинематической цепочке на коленчатый вал ДВС, при этом исключая передув воздуха компрессором ТКР.

Изобретение относится к области двигателестроения. Технический результат - обеспечение эффективности работы турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на различных режимах работы ДВС и повышение КПД ДВС. Турбокомпрессор (ТКР) имеет ротор (3), кинематически связанный с коленчатым валом (1) ДВС через ускоряющий редуктор, ведущая шестерня (9) которого жёстко связана с коленчатым валом (1) ДВС, а ведомая шестерня (10) жёстко закреплена на вторичном валу (20) двухступенчатой гидромеханической передачи (ГМП), который в свою очередь соединён с ведущими металлокерамическими дисками фрикциона (19). Корпус (15) фрикциона соединён с первичным валом (6), связанным с гидротрансформатором (ГТР) (8). На выходном валу (16) ГТР закреплена ведущая шестерня (17) второго ускоряющего редуктора, ведомая шестерня (18) которого закреплена на валу ротора (3) ТКР. На вторичном валу (20) ГМП также закреплена ведущая полумуфта обгонной муфты (11), а ведомая полумуфта обгонной муфты (11) закреплена на шестерне (12) промежуточного вала (13). Ведущая шестерня (14) промежуточного вала (13) передаёт вращение на ведомую шестерню (5), связанную с корпусом (15) фрикциона, связанным с первичным валом (6) ГМП. Управление ГМП осуществляется с помощью электронного блока управления. 1 ил.

Турбокомпрессор с кинематической связью ротора с коленчатым валом ДВС, имеющий ротор, кинематически связанный с коленчатым валом ДВС через ускоряющий редуктор, ведущая шестерня которого жёстко связана с коленчатым валом ДВС, отличающийся тем, что ведомая шестерня ускоряющего редуктора жёстко закреплена на вторичном валу двухступенчатой гидромеханической передачи (ГМП), который в свою очередь соединён с помощью внутренних шлицов с ведущими металлокерамическими дисками фрикциона, корпус фрикциона в свою очередь с помощью ведомых стальных дисков с наружными шлицами соединён с первичным валом, связанным с гидротрансформатором (ГТР), на выходном валу ГТР жёстко закреплена ведущая шестерня второго ускоряющего редуктора, а ведомая шестерня второго ускоряющего редуктора жёстко закреплена на валу ротора турбокомпрессора, также на вторичном валу ГМП жёстко закреплена ведущая полумуфта обгонной муфты, а ведомая полумуфта обгонной муфты жестко закреплена на шестерне промежуточного вала, ведущая шестерня промежуточного вала в свою очередь передаёт вращение на ведомую шестерню корпуса фрикциона, которая связана с ведущими керамическими дисками фрикциона, а ведомые стальные диски фрикциона наружными шлицами связаны с корпусом фрикциона, а корпус фрикциона жестко связан с первичным валом ГМП, первичный вал в свою очередь связан с турбинным колесом ГТР, а насосное колесо ГТР связано с выходным валом, на котором жёстко закреплена ведущая шестерня второго ускоряющего редуктора, при этом управление ГМП осуществляется с помощью электронного блока управления (ЭБУ).