Двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1985 года по МПК F02B37/00 F02D23/00 

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что механизмы управления положением дроссельной заслонки и расходом топлива выполнены каждый в виде золотникового узла, снабженного двумя подвижными один относительно другого и относительно корпуса золотник о вЬгми элементами, каждый из которых связан с соответствующим датчиком через ор41210

ган преобразования сигнала датчика в линейное перемещение.

3.Двигатель поп„2, отличающийся тем, что орган преобразования вьтолнен в виде анероида,

4.Двигатель по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что механизмы управления положением дроссельной заслонки и расходом топлива выполнены в одном корпусе.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий подключенный к воздушному ресиверу и выхлопному коллектору турбокомпрессор, газоприемный и воздухонапорный патрубки которого сообщены между собой при помощи обводной трубы, установленные в последней дополнительную камеру сгорания и орган управления расходом воздуха, снабженный дроссельной заслонкой, подключенной к механизму управления ее положение, вход которого связан с датчиком давления наддува, и механизм управления расходом топлива через дополнительную камеру сгорания,подключенный своим входом к тому же датчику давления и к датчику положения органа дозирования подачи топлива, о тличак)Щийся тем,что, с целью повышения его надежности, турбокомпрессор снабжен датчиком давления воздуха на всасывании, механизм управления дроссельной заслонкой выполнен с дополнительным входом, датчик давления воздуха на всасывании подключен к дополнительному входу механизма управления, а последний снабжен блоком сравнения входных сигналов. О

1

Изобретение относится к машиностроению, а именно двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом и с регулированием агрегатов наддува.

Известны двигатели внутреннего сгорания, содержащие турбокомпрессор, воздухонапорный патрубок которого соединен с впускным коллектором двигателя через охладитель наддувочного воздуха, обводную трубу, связывающую воздухонапорный и газоприемный патрубки турбокомпрессора через дроссель, дополнительную камеру сгорания и механизм управления системой наддува, связанный с дросселем и выполненный в виде подвижной стенки, размещенной в замкнутой полости 1 .

В таких устройствах дроссель сочетает функцию дросселирования с функцией управления количеством перепускаемого воздуха в зависимости от перепада давления и величины давления в обводной трубе, а количество впрыскиваемого в дополнительную камеру сгорания топлива дозируется управляющей системой, не допускающей падения давления наддува ниже заданного значения.

Недостатком такого управления системой наддува является то, что механизм управления и дроссель представляют собой самовозбуждающую систему, которая на некоторых режимах может резонировать, что вызывает пульсации потока воздуха в обводной трубе и, как следствие, неустойчивую работу дополнительной камеры сгорания и .тепловую перегрузку двигателя. Для повьпиения устойчивости управления в этих двигателях установлены дополнительные дросселирующие органы, существенно усложняющие управление системой наддува.

Известны также двигатели внутреннего сгорания, содержащие подключенный к воздушному ресиверу и выхлопному коллектору турбокомпрессор, О газоприемчый и воздухонапорные патрубки которого сообщены между собой с помощью обводной трубы, установленные в последней дополнительную камеру сгорания и орган управления 5 расходом воздуха, снабженный дроссельной заслонкой, подключенной к механизму управления ее положением, вход которого связан с датчиком давления наддува, и механизм управления

0 расходом топлива через дополнительную камеру сгорания, подключенный своим входом к тому же датчику давления и к датчику положения органа дозирования подачи топлива 2.

5 к недостаткам известных двигателей относятся сложность конструкции,, подбора профилей и сечений дросселей, настройки органов управления, а также возможность использования

0 органов управления расходом воздуха и топлива только в конкретной системе наддува и с конкретньм двигателем, Кроме того, недостатком известных двигателей является взаимозависимое

регулирование количества перепускаемого через обводную трубу воздуха и количества топлива, подаваемого в дополнительную камеру сгорания для его подогрева от рабочего давления

0 в системе управления. Так, при увеличении цикловой подачи топлива в

3

цилиндры двигателя органы управлени в системе наддува одновременно увеличивают и подачу топлива в дополнительную камеру сгорания и расход воздуха через обводную трубу, что при неизменной в начальный период переходного режима системы наддува частоте вращения ротора турбокомпресора при крутых расходных характеристиках высоконапорных компрессоров однозначно влечет за собой существенное снижение давления наддувочного воздуха при увеличившейся цикловой подаче топлива в цилиндры, резко увеличивая тепловую нагрузку деталей и снижает надежность двигателя.

Цель изобретения - повышение надежности двигателя и управления системой наддува.

Для достижения поставленной цели турбокомпрессор снабжен датчиком давления воздуха на всасывании, механизм управления дроссельной заслонкой выполнен с дополнительным входом, датчик давления воздуха на всасывании подключен к дополнительному входу механизма управления, а последний снабжен блоком сравнения входных сигналов.

При этом механизмы управления положением дроссельной заслонки и расходом топлива выполнены каждый в виде золотникового узла, снабженного двумя подвижными один относительнодругого и относительно корпуса золотниковыми злементами, каждый из которых связан с соответствуйщим датчиком через орган преобразования сигнала датчика в линейное перемещение .

Орган преобразования вьтолнен в виде анероида.

Кроме того, механизмы управления положением дроссельной заслонки и расходом топлива могут быть выполнены в одном корпусе,

На фиг.1 показана принципиальная схема предлагаемого двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 - вариан выполнения органа управления расходом воздуха; на фиг.З - вариант выполнения органа управления расходом топлива через дополнительную камеру сгорания; на фиг.4 - второй вариант выполнения органа управления расходом воздухаJ на фиг.З - второй вариант выполнения органа управлеА1210 -4

ния расходом топлива; на фиг.6 - вариант выполнения механизмов управления расходами воздуха и топлива в виде двух золотниковых узлов, выполненных в одном корпусе.

Двигатель 1 внутреннего сгорания своим выхлопным коллектором 2 и впускным коллектором (воздушным ресивером ) 3 подключен к турбоком 0 прессору 4, состоящему из турбины 5 и компрессора 6. Воздухонапорный патрубок компрессора (не показан сообщается с газоприемным патрубком турбины (не показан ) обводной трубой 7, в которой установлен орган 8 управления расходом воздуха, содержащий дроссельную заслонку для дозирования расхода воздуха, а также дополнительная камера 9 сгорания с

20 топливоподающим трубопроводом 10, в котором установлен исполнительный орган 11, имеющий известный элемент, дозирующий расход топлива. Вход исполнительного органа 11 присоединен

25 к топливной магистрали 12. Механизм 13 управления положением дроссельной заслонки цепью 14 передачи команды (выход механизма) связан с органом 8 управления, цепью 15 передачи сигнала (вход механизма) - с датчиком 16 давления наддува, а цепью 17 передачи сигнала { дополнительный Еход механизма) - с датчиком 18 давления воздуха на всасыва35 НИИ в компрессор 6. Механизм 19 управления расходом топлива через дополнительную камеру сгорания ЦРпью 20 передачи команды ( выход механизма ) связан с исполнительным органом I1, цепью 15 передачи сигнала (вход механизма) - с датчиком 16 давления наддува, а цепью 21 передачи сигнала (дополнительный вход механизма) - с датчиком 22 положения

45 органа дозирования подачи топлива.

Цепь 15 передачи сигнала датчика 16 связана с механизмами 13 и 19 каналом 23, сообщённым с органом 24 преобразования сигнала датчика в линейное перемещение, выполненным в виде анероида и расположенным в корпусе 25 золотникового узла. Последний содержит втулку 26 золотника, подвижную относительно корпуса 25, возвратную пружину 27 и плунжер 28 золотника, имеющий рабочие кромкиА. Орган 24 кинематически связан в вариантах на Лиг.2, 4, 5 и 6 с втул5I

кой 26 золотника, а в варианте на фиг.З - с плунжером 28 золотника.

Расположенный в корпусе 25 механизма 13 канал 29 связан цепью 14 передачи команды с исполнительным органом 8, а в механизме 19 канал 29 связан цепью 20 передачи команды с исполнительным органом 11. Канал 30 сообщен с цепью питания (не показано ) механизма рабочей жидкостью, а канал 31 сообщен цепью слива (не показано) рабочей жидкости.

Цепь 17 передачи сигнала датчика 18 связана с механизмом 13 каналом 32, сообщенным с органом 33, выполненным в виде анероида, расположенным в корпусе 25, и кинематически связанным с плунжером 28 золотника ,

Цепь 21 передачи сигнала датчика 22 связана с механизмом 19 кинематическим звеном 34, оканчивающимся органом 35, выполненным в виде эксцентрика, кинематически связанным в варианте на Лиг.З с втулкой 26 золотника или в вариантах на Лиг.5 и 6 с плунжером 28 золотника, с другой стороны которого расположена возвратная пружина 36. Золотниковый узел с двумя золотниковыми элементами 26 и 28 и органом 24 в сочетании с органом 33 или органом 35 образуют блок сравнения входных сигналов.

На фиг.2 показан профилированный вход 37 мерного участка на входе в компрессор 6 с расположенным в нем каналом, являющимся датчиком 18, а также орган 8 управления расходом воздуха через обводную трубу 7, выполненный в виде сервомотора, в корпусе 38 которого расположен порщень 39, рабочая полость 40 каналом 41 через цепь 14 передачи команды сообщена с каналом 29 управляющего механизма 13. Поршень 39 сервомотора кинематически связан со штоком 42 и с возвратной пружиной 43. Шток 42 связан с рычагом 44, изменяющим положение дозирующего орг-ана 45, выполненнЬго в виде дроссельной заслонки.

На Лиг.З показан исполнительньш орган 11, вьтолненный в виде гидравлического сервомотора, рычаг 44 которого связан с дозирующим органом 46, вьтолненным в виде иглы, расположенной в корпусе 47.

10

На фиг.4 показаны другие варианты органа 8 управления расходом воздуха через обводную трубу 7 и расположения профилированного входа 37 мерного устройства.на входе в компрессор 6. Канал 29 механизма 13 управления сообщен с анероидом 48, кинематически связанным со штоком 49 и возвратной пружиной 50. Шток 49 связан с переключаюТцим устройством 51, изменяющим направление вращения реверсивного электродвигателя 52, вал которого кинематически связан со звеном 53, имеющим положение рычага 44, управляющего дозирующим органом 45. Профильный вход 37 мерного устройства на входе в компрессор 6 расположен в полос-ти 54, например, за входным фильтром или глушителем шума (не показаны), а орган 33 выполнен .в-виде дифференциального анероидного устройства.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

На некотором установившемся мощностном режиме поступивший в цилиндры двигателя 1 по впускному коллектору 3 воздух в виде отработавших газов поступает по выхлопному коллектору 2 к турбине 5 турбокомпрессора 4, перед входом в которую газы смешиваются с перепущенным по обводной трубе 7 и подогретым в дополнительной камере 9 сгорания воздухом, количество которого установлено механизмом 13 и связанным с ним исполнительным органом 8 управления расходом воздуха через об-водную трубу 7.

Известно, что двигатель с системой наддува, снабженный перепуском и подогревом перепускаемого воздуха работает эффективно в том случае, если рабочая характеристика компрессора лежит в непосредственной близости от границы помпажа и расположена в зоне максимальных КПД компрессора и если температура газов перед турбиной и за цилиндрами двигателя не превьш1ает некоторой наперед заданной величины, разрешенной по условиям тепловтзй нагрузки деталей. Известно также, что характеристика компрессора, эквидистантная границе помпажа и проходяшая через область максимальных КПД компрессоpa, достаточно хорошо аппроксимируется квадратичной параболой вида . где Р| - давление на выходе из компрессора;давление на входе в компрессор;коэффициент пропорциональности j расход воздуха компрессором. Характеристики компрессора вида (1) соответствуют характеристика турбокомпрессора при постоянной тем пературе газо№ перед турбиной Т , т.е. рабочая характеристика компрес сора видаЛП эквивалентна характеристике турбокомпрессора при Т const. Известно также, что расход возду ха, определяемый с помощью мерного устройства при всасывании из атмосферы, пропорционален йР , где йР перепад давления на мерном участке (разрежение). Применительно к компрессору для определения расхода воздуха по -разрежению в мерном участке на входе в компрессор получаем Из совместного решения уравнений (1) и (2| следует РК-РО - p---oon3t Регулирование расхода воздуха компрессором по условию (3) соответ ствует, таким образом, одновременному удовлетворению следующих требо ваний: рабочая характеристика компрессора эквидистантна границе помп жа и расположена в зоне его максимальных КПД, турбина турбокомпрессо ра работает при постоянной температуре поступающих на нее газов. Из теории двигателей внутреннего сгорания известно, что в первом при ближении температура отходящих газов за цилиндром пропорциональна коэффициенту воздуха и при постоянном коэффициенте избытка воз духа средняя температура газов за цилиндром также может быть принята постоянной. Таким образом, условие постоянства температуры газов за цилиндром, эквивалентное условию постоянства коэффициента избытка воздуха, можно предствить в виде Const где ч,ц - цикловая подача топлива в цилиндре двигателя. Одновременная реализация условий (3) и (А) соответствует одновременному удовлетворению следующих требований: рабочая характеристика компрессора эквидистантна границе . помпажа и расположена в зоне его максимальных КПД; трубокомпрессора работает при постоянной и заданной температуре поступающих на нее газов, двигатель внутреннего сгорания работает при постоянной и оптимальной по наложенным ограничениям теплонапряженности температуре выпускных газов за цилиндром. Сущностью изобретения является, аким образом,.одновременная реализация условий (3 ) и (4). Это достигается тем, что режим работы двигателя и рабочая точка системы наддува в поле ее характеристик заданы цикловой подачей топлива, а положение рабочей точки системы наддува на рабочей характеристике компрессора однозначно определено, с одной стороны, однозначностью характеристики компрессора за счет регулируемого перепуска воздуха через обводную трубУ, а с другой - необходимым подогр воц перепускаемого через обводнуТО Tpjjey воздуха в дополнительной камере сгорания за счет регулируемого расхода топлива. Характеристики органов 24 и 33 (фиг.2, 4 и 6) подобраны таким .образом, что для заданной условием (2) характеристики профилированного входа 37 условие (З) выполняется в любой точке рабочей характеристики компрессора 6, определяемой условием (1 ), в результате чего рабочие кромки А плунжера золотника 28 держат закрытым канал 29 в корпусе 25 и во втулке 2.6 золотника, удерживая в неизменном положении дозирующий орган 45. Требуемое для данной цикповой подачи топлива давление наддува установлено управляющим механизмом 19 и связанным с ним исполнительным органом 11, Характеристики органа 24 и эксцентрика 35 (фиг.З, 5 и 6) подобраны таким образом, что 9 заданное условием (4) соотношение выполняется при любом значении цикловой подачи топлива, благодаря чему плунжер золотника 28 своими рабочими кромками А держит закрытым канал 29 во втулке 26 золотника, удерживая в неизменном положении дросселирующий орган 46, расположенный в корпусе 47. При изменении цикловой подачи топлива, например, в большую сторону датчик 22 (фиг.З) цикловой подач топлива смещается вправо и поворачивает через рычаг связанное с ним звено 34 по часовой стрелке, освобождая втулку золотника 26, которая под действием возвратной пружины 27 смещается влево, открывая проход рабочей жидкости из канала 30 через открытый кромками А плунжера 28 золотника, остающегося неподвижным, канал 29, цепь 20 и канал 41 корпуса 38 сервомотора в полость 40. По мере поступления .рабочей жидкости в полость 40 портень 39 смещается вле во вместе со связанным с ним штоком 42, поворачивая рычаг 44 по часовой стрелке и выдвигая дозирующий орган 46, т.е. открывая проход топл ву из магистрали 12 через трубопровод 10 в дополнительную камеру сгорания 9. В результате дополнительного подогрева воздуха, подмешиваемого к отработавшим в цилиндре газам и роста температуры отработавщи в цилиндре газов из-за увеличения цикловой подачи топлива возрастает температура газов перед турбиной и, как следствие, возрастает давление наддува и через датчик 16, цепь 15, канал 23, воздействуя на орган 24, смещает плунжер золотника 28 влево. Увеличение расхода топлива дополнительной камерой сгорания происходит до тех пор, пока рабочие кромки А плунжера золотника, перемещающегося влево, не перекроют канал 29 во втулке 26 золотника в ее новом положении. Одновременно со смещение плунжера 28 золотника в механизме 1 управления происходит аналогичное смещение втулки 26 золотника механизма 19 управления (.фиг. 2), кинема тически связанной с органом 24, который через канал 23 и цепь 15 связан с датчиком 16 фактического дав ления . При увеличении давления наддува орган 24 смещает втулку золот1010ника 26 относительно плунжера 28 золотника, прижатого возвратной пружиной 36, Изменяющийся в с изменением давления наддува расход воздуха компрессором, т.е; изменившийся перепад давления на профилированном участке 37, передаваемый с датчика 18 по цепи 17, и канал 32 на орган 33 смещает плунжер 28 золотника вправо. Если скорость перемещения втулки 26 золотника больше скорости перемещения плунжера 28 золотника, то втулка золотника 26 оказывается смещенной относительно плунжера 28 золотника вправо., в результате чего рабочие кромки А плунжера 28 золотника откроют канал 29 во втулке 26 золотника и сообщат его с каналом 30 подачи рабочей жидкости. Рабочая жидкость через канал 30, канал 29, цепь 14, канал.41 в корпусе 38 сервомотора поступает в полость 40. По мере поступления рабочей жидкости в полость 40 поршень 39 смещается влево вместе со связанным с ним штоком 42, поворачивая рычаг 44 против часовой стрелки и увеличивая проход в дозирующем органе 45, т,е, увеличивая расход воздуха через обводную трубу 7. В результате увеличения расхода воздуха через обводную трубу 7 увеличивается общий расход воздуха компрессором, т.е. увеличивается разрежение в профилированном входе 37, которое воздействует на орган 33 и он смещает плунжер золотника вправО до тех пор, пока рабочие кромки А плунжера 28 золотника не перекроют канал 29 во втулке 26 золотника в ее новом положении. Если скорость перемещения втул- . ки 26 золотника окажется меньше скорости плунжера 28 золотника, то втулка 26 золотника смещается относительно плунжера 28 золотника влево, в результате чего рабочие кромки А открывают канал 29, сообщая его с каналом 31 слива рабочей жидкости по цепи 14 через, канал 41 из полости 40 , При сливе рабочей жидкости поршень 39 сервомотора под действием возвратной пружины 43 смещается вправо, поворачивает рычаг 44 по часовой стрелке и прикрывает дозирующим органом 45 проход череЗ обводную трубу 7, При уменьшении рас- . хода воздуха компрессором 6 уменьшается разрежение в профилированном входе 37, в результате чего плунжер золотника смещается влево до тех пор, пока рабочие кромки А плунжера 28 золотника не перекроют канал 29 во втулке 26 золотника в ее новом положении.

Таким образом, как в случае большей, так и в случае меньшей скорости втулки 26 золотника по отношению к скорости плунжера 28 золотника изменение расхода воздуха компрессором, переданное с датчика 18 по цепи 1 7 и каналу 32 на вход органа 33, приводит к тому, что плунжер 28 золотника занимает положение, при котором его рабочие кромки А закрывают канал 29, в результате чего достигается новое равновесное состояние. При изменении цикловой подачи топлива в меньшую сторону процесс управления происходит в обратном направлении.

При изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя, например, в большую сторону при неизменной цикловой подаче топлива увеличившийся расход воздуха в форме сигнала большего разрежения поступает с датчика 18 по цепи 17 в канал 32 органа 33, в результате чего плунжер 28 золотника смещается вправо и своими рабочими кромками А открывает канал 29 управляющего механизма 13 (фиг.2), сообщая его с каналом 31 слива рабочей жидкости по цепи через канал 41 из полости 40 сервомотора, что приводит к уменьшению проходного сечения, устанавливаемого дозирующим органом 45, и это уменьше ние происходит до тех пор, пока плунжер 28 золотника не вернется в свое исходное положение и его рабочие кромки А закроют канал 29 во втулке 26 золотника. Одновременно с уменьшением расхода воздуха через обводную трубу 7 и неизменном в начальный период расходе топлива дополнительной камерой 9 сгорания давление наддува в связи с ростом температуры перепускаемого воздуха позы шается, в результате чего орган 24 (фиг.З ), связанный с датчиком 16 фактического давления наддува цепью 15 и каналом 23, смещают плунжер 28 золотника влево, при этом рабочие кромки А открывают канал 29 . во втулке 26 золотника, сообщая его

с каналом 31 слива рабочей жидкости по цепи 20 через канал 41 из полост 40, в результате чего поршень 39 под действием возвратной пружины 43 сместится вправо и через шток 42 и рычаг 44 переместит дозирующий орган 46 влево, уменьшая подачу топЛива из топливной магистрали 12 в трубопровод 10 до тех пор, пока фйктическое давление.наддува не сравняется с установленным, т.е. пока рабочие кромки А плунжера 28 золотника не закроют канал 29 во втулке 26 золотника.

При изменении частоты вращения двигателя в меньшую сторону процесс управления происходит в обратном направлении.

Механизм 13 управления положением дроссельной заслонки и расходом воздуха через обводную трубу 7, вариант исполнения которого приведен на фиг.4, работает идентично варианту исполнения по фиг.2, однако в качестве известного исполнительного устройства использован реверсивньй электродвигатель. При поступлении рабочей жидкости в канал 29 ане- роид 48 перемещает связанный с ним шток 49 и включает переключающее устройство 51 в положение, обеспечивающее вращение ротора электродвигателя против часовой стрелки, в результате чего кинематическое звено 5 перемещается вверх, поворачивая рычаг 44 по часовой стрелке и увеличивая проходное сечение в дозирующем органе 45. При сливе рабочей жидкости из анероида 48 подканалу 29 возвратная пружина 50 перемещает шток, 49 вниз и замыкает переключающее устройство в положение, обеспечивающее вращение ротора эл : ктродвигателя по часовой стрелке.

Профилированный вх9Д 37 расположен в полости 54 с пониженным за счет сопротивления фильтра или глушителя (не показаны) давлением.

Вариант исполнения механизма 19 управления расходом топлива дополнительной камеры сгорания, представленный на фиг.5, работает идентично варианту исполнения по фиг.З. с той разницей, что орган 35 кинематически связан с плунжером 28 золотника, а орган 2.4 кинематически связан с втулкой 26 золотника. 1-i Варианты исполнения механизма 13 управления расходом воздуха и механизма 19 управления расходом топлива дополнительной камеры сгорания, расположенными в одном корпусе 25, по Лиг.6, работают идентично указан ным вариантам исполнения, приведенным на фиг.2.и 5, Предлагаемьй двигатель по сравнению с известными имеет более простую конструкцию и повышенную надежность устройства управления сист мой наддува за счет исключения объе диненной функции дросселирования и управления. Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания с наддувом даст возможность реализовать на неноминальных частотах вращения коленчатого вала уровни среднего эффективного

Фиг 2 давления большими, чем на номинальном режиме без перегрева или перегрузки деталей конструкции. Экономический эффект применения изобретения обеспечивается возможностью применения двигателя с высоким наддувом в различных отраслях народного хозяйства при существенном повышении ресурса и надежности за счет стабильности теплового режима, улучшения экономичности при работе по внещней характеристике за счет существенного повышения коэф фициента избытка воздуха и удешевления силовой установки как путем его упрощения и уменьшения расхода материалов на единицу мощности, так и пут.ем удешевления силовой установки в целом за счет упрощения трансмиссии.