Двигатель внутреннего сгорания с наддувом Советский патент 1985 года по МПК F02B37/12 

ходовой запорный элемент вьшолнен в виде корпуса и подвижного относительно него золотника, причем корпус снабжен первым отверстием для сообщения с воздушным каналом, вторым отверстием для сообщения с перепускным каналом, третьим отверстием для соединения с газоприемным патрубком и четвертым - для соединения с воздухонапорным патрубком, а в золотнике вьшолнены каналы для сообщения первогр отверстия с третьим, второго с четвертым и вырез для соединения между собой третьего и четвертого отверстий, причем в вырезе размещена втулка, сопряженная с корпусом и снабженная отверстием.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НАДДУВОМ, содержащий ёПускной трубопровод и выпускной коллектор, к которым соответственно при помощи воздушного и газоподводящего каналов подключены воздухонапорные и газоприемные патрубки по меньшей мере двух турбокомпрессоров, -обводную трубу, соединяющую эти патрубки между собой, органы перекрытия, установленные по меньшей в одном воздухонапорном и по меньшей мере в одном газоприемном патрубках, и обводной трубопровод, соединяющи перекрываемые патрубки и снабженньсЧ запорным органом с приводом от датчика контролируемого параметра, характеризующего отношение между расходом воздуха через ; двигатель и производительностью турбокомпрессоров, отличающийся тем, что, с целью повьшения надежности, обводной трубопровод выполнен в виде перепускного канала между патрубками одного и того же турбокомпрессора, его запорньш орган выполнен заодно с органами перекрытия, последние установлены в патрубках того же турбокомпрессора. 2.Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в обводной трубе установлена дополнительная камера сгорания с первичной и вторичной зонами горения, причем обводная труба выполнена разветвленной с первой ветвью, подключенной к пер.вичной, и второй ветвью, подключенной к вторичной зоне горения, снабжена органом перекрытия ветвей, чувi ствительным к соотношению между общим расходом воздуха и расходом воздуха в первичную зону горения, а перепускной канал подключен дополнительно к впускному трубопроводу и выпускному коллектору двигателя. 3.Двигатель по п.1, отличающийся тем, что запорный орган перепускного канала и органы перекрытия патрубков турбокомпрессора вьшолнены заодно в виде четырехходового запорного элемента. 4.-Двигатель по пп.1-3, отличающийся тем, что датчик контролируемого параметра выполнен в виде датчика частоты вращения двигателя с одинаковым порогом срабатывания при повьшении и при понижении частоты. 5.Двигатель по пп.1-4, отличающийся тем, что по меньшей мере один из турбокомпрессоров снабжен устройством для запуска сжатым .воздухом, связанным с датчиком контролируемого параметра. 6.Двигатель поп.З, отличающийся тем, что четырех

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

Целью изобретения является повы- 5 шение надежности системы регулирования наддува.

При этом обеспечивается работа двигателя в широком диапазоне частоты вращения с умеренным расходом 10 топлива, независящим от условшЧ работы, и снижение вероятности возникновенил помпажа компрессоров на переходных режимах.

На фиг. 1 показаны основные элекен-15 ты двигателя в положении, которое они занимают при низкой частоте вращения двигателя; на фиг. 2 - то же, по при высокой частоте вращения двигателя; на фиг. 3 - система масло- 20 пневматического управления длядвигателя по фиг. 1 и 2 в положении, соответствующем фиг. 1; на Лиг. 4 - часть фиг. 3 в положении, соответствующем положению на фиг. 2; на 25 фиг. 5 - иллюстрация запуска и регулирования частоты вращения двигате-. ля; на фиг. 6 - вариант детали двига теля на фиг. 1 и 2.

Двигатель 1 внутреннего сгорания 30 с наддувом (фиг. 1 и 2) содержит два компрессора .t и 2.2, воздухонапорные патрубки 3.1 и 3.2 которых могут соединяться общим воздушным каналом А с (простым или разветвлен- 35 ным) впускным трубопроводом 5 двигателя 1 и предпочтительно также с обводной трубой 6, снабженной дополнительной камерой 7 сгорания, две турбины 8.1 и 8.2, каяадая из которых 40

приводит в движение с помощью общего вала 9.1 или 9.2,один из компрессоров 2.1 или 2.2, образуя с ним турбокомпрессор 10.1 или 10.2, газонапорные патрубки 11.1 и 11.2 которых могут соединяться общим газоподводящим каналом 12 с (простым или разветвленным) выпускным коллектором 13- двигателя 1 и с выходом 14 дополнительной камеры 7 сгорания, и непоказанный датчик частоты вращения двигателя 1, связанный с органами перекрытия воздухонапорного патрубка 3.1 турбокомпрессора 10.1, перекрытия соединения этого патрубка с каналом 4 и связанный также с органом перекрытия газонаПорного патрубка 11.1 того же турбокомпрессора и перекрытия соединения последнего с каналом 12, обводная труба подсоединена к газоподводящему каналу 12 в сечении 14. Перекрывают патрубки тогда, когда понижена частота вращения двигателя 1. Как обычно, на входе во впускной коллектор установлен охладитель 15 воздуха наддува.

Датчик частоты вращения может представлять собой любую тахометрическую систему, например центробежный чувствительный элемент или тахогенератор. Вместо него может быть применен датчик давления масла на выходе шестеренчатого насоса. Во всех случаях эти датчики характеризуют отношение между расходом воздуха через двигатель и производительностью турбокомпрессоров.

Дополнительная камера 7 сгорания разделена по ходу течения на первичную 16 и вторичную 17 зоны горения

3

или разбавления. Труба 6 разделена на две ветви 6.1 и 6.2. Одна ветвь 6.1 подключена к вторичной зоне 17 и снабжена первыми дросселирующими средствами 18 с переменным проходньи сечением. Другая ветвь 6.2 подключена к первичной зоне 16 горения через вторые дросселирующие средства 19. Вторые дросселирующие средства 19 содержат сопряженные отверстия. .20 И 21, вьшолненные соответственно во внутренней цилиндрической втулке 22, которая ограничивает по меньшей мере частично первичную зону 16, ив наружной цилиндрической втулке 23, которая ограничивает по меньшей мере частично канал 4. По меньшей мере одна топливная форсунка 24 помещена в первичную зону 1б в непосредственной близости от сопря женньк дросселирующих отверстий 20 и 21 и получает жидкое топливо по трубопроводу 25. Расход топлива через одну или несколько топливных форсунок 24 изменяют посредством относительного перемещения втулок 22 и 23, изменяющих расход воздуха в первичную зону 16 через изменяющееся при этом сечение сопряженньйс отверстий 20 и 21.

Одна из ветвей трубы 6 ограничена камерой 26 с отверстием, край которого образует седло 27. С седлом вза имодействует дисковый клапан 28, размещенный ниже седла. Диск клапана 28 вьшолнен заодно с уравновешивающим поршнем 29, которьй через уплотняющие средства 30 пересекает стенку канала 4. Диск клапана 28 с поршнем 29 образуют первые дросселирующие средства 18, которые находятся в равновесии под действием опорного давления Рр, действующего на сечение поршня 29 в верхней или наружной его части, и давлений, действующих сверху (давление Р) и снизу (давление Р, ) дискового клапана 28, Если обозначить индексом S сечение поршня 29 и сечение диска клапана 28 то УСЛОВИЯ равновесия диска клапана 28 и поршня 29 выражаются следующия соотношением:

PZ - Р/

Р - Р„ : S

Следовательно, первые дросселирующие средства 18 с диском клапана 28 способны создать падение давления , которое практически не

926344

зависит от соотношения между расходом воздуха в трубе 6 и общим расходом воздуха, соответствующим производительности турбокомпрессоров, 5 но изменяется в том же направлении, в котором изменяется давление Pj.

Обе ветви трубы 6 соединены меж- . ду собой на уровне вторичной зоны 17 посредством отверстий 31 таким образом, что воздух, входящий через эти

«О отверстия, разбавля.ет горячую смесь, поступающую из первичной зоны 16.

Выпускной коллектор 13 и вторичная зона 17 камеры 7 сгорания сообщены с каналом 12.

15

Расход топлива, впрыскиваемого одной или несколькими форсунками 24, и расход воздуха, подаваемого через сопряженные отверстия, согласовывают между собой известными средствами.

20

Воздух, нагнетаемый компрессорами 2.1 и 2.2, разделяется на два потока: поток, который поступает в двигатель 1, и дополнительньй поток, которьп идет к турбинам 8.1 и 8.2 через тру25бу 6. Этот дополнительный поток снова разделяется на два потока: на первую часть, которая питает первичную зону 16 горения через сопряженные отверстия 20 и 21, предпочтительно

30 в стехиометрическом соотношении с топливом, впрыскиваемь1м одной или несколькими форсунками 24, и на вторую часть, которая поступает во вторичную зону 17 горения через отверстия

5 31, при этом вторая часть дополнительного потока предварительно проходит через первые дросселирующие средства 18 и разбавляет горячую смесь с высокой температурой, поступающую из

0 первичной зоны 16. Когда двигатель 1 набирает частоту, расход проходящего через него воздуха увеличивается, а дополнительный поток в трубе 6 уменьшается. Следовательно, первые ...

5 дросселирующие средства J8 постепенно закрываются и все больше и больше уменьшают расход воздуха, поступающего во вторичную зону 17. Воздух, поступающий в первичную зону 16,

0 расход которого зависит только от давления, и следовательно, от нагрузки двигателя 1 (а не от частоты вращения последнего), продолжает обеспечивать сгорание в первичной зоне 16 в усло ВИЯХ, по возможности близких к стехиометрическим.

Датчик частоты вращения двигателя 1 одновременно с тем, что при низкой частоте вращения двигателя прерьшает сообщение, с одной стороны, между патрубком 3.1 компрессора 2.1 и каналом 4, и, с другой стороны, между газонапорным патрубком 11.1 того турбокомпрессора и газоподводящим каналом 12, обеспечивает соединение патрубков между собой при помощи перепускного канала 32 (фиг. 1). Одновременно с этим прерывается сообщение патрубков по каналу 32 при высокой частоте вращения двигателя (фиг. 2). Как схематически показано на фиг.1 и 2, с датчиком частоты вращения двигателя 1 связаны два трехходо вентиля 33 и 34, представляющие собой, например, поворотные заслонки Остановленные соответственно в возду хонапорном патрубке 3.1 и газоприемном патрубке 11.1 или преимущественно четырехходовой распределитель 35 (фиг. 3 и 4), при этом вентили 33 и 34 или распределитель 35 приводятся в действие от датчика частоты вращения двигателя 1. В соответствии с вариантом выпол нения на фиг. 3 и 4 четырехходовой распределитель 35 является распреде лителем со скользящим золотником 36, или эквивалентным распределителем с вращающимся золотником. На фиг. 3 и 4 позициями 37.1 и 38.1 обозначены роторы компрессора 2.1 и соответственно турбины 8.1, при этом оба ротора соединены валом 9.1 Золотник 36 перемещается внутри корпуса 39, который имеет четыре отверстия 40-43, соответственно соо щающиеся с каналом 4 (воздух наддува под давлением Pj), с каналом 12 (выпускной газ и горючая смесь под давлением Р), с воздухонапорным патрубком 3.1 и с газоприемным патрубком 11.1. В золотнике 36 выполне ны два отверстия 44 и 45 и продольный вьфез (или выточка) 46, обращен ный в сторону отверстий 42 и 43, с противоположной стороны золотника имеются отверстия 40. Блок выполнен так, что или вьфез 46 обеспечивает сообщение между от верстиями 42 и 43, т.е. между возду хонапорньм патрубком 3.1 и газоприемным патрубком 11.1, при этом отверстия 44 и 45 находятся перед сплошными стенками корпуса 39 (фиг. или отверстие 44 обеспечивает сообщение между отверстием 42 и отверстием 40,.т. е.между обводной трубой 6 и каналом 4, и, с другой стороны, отверстие 45 обеспечивает сообщение между отверстием 41 и отверстием . 43, т.е. между газоподводящим каналом 12 и газоприемным патрубком 11.1 турбокомпрессора 10.1, при этом вырез 46 находится напротив сплошной стенки корпуса 39 (фиг. 4). Отверстие 45 образовано в цилиндрической втулке, которая направляет истечение горячих газов в турбину 8.1 турбокомпрессора 10.1, предотвращая прорыв струи в вьфез 46, и сводит до минимума соприкосновения горячих газов с механическими частями золотника 36. Когда этот золотник находится в положении соединения накоротко (фиг.- 3) и под действием Р 2 и Р прижат к поверхности корпуса 39, которая находится со стороны турбины 8.1, втулка также прижата и предотвращает утечку воздуха (Pg) или газа (Р) в вырез 46 и в конечном счете в атмосферу через неработающий турбокомпрессор. Падение давления, создаваемое дросселирующими средствами 18 и служащее для продувки двигателя 1 (Pg больше Pj), служит также для продувки свежим воздухом четьфехходового распределителя 35, что препятствует обратному течению газа в механизм, предотвращая образование нагара, и облегчает его охлаждение. При этом втулка имеет преимущества распределителя с вращающимся золотником. Датчик частрты вращения может быть связан с устройством для запуска одного из турбокомпрессоров. Это устройство может быть электрическим или гидравлическим (колесо Пельтона), но предпочтительно должно быть устройством для запуска струей сжатого воздуха. Такая система (прзицией 47.1 на фиг. 3) может направлять воздушную струю на лопатки ротора 37.1 компрессора 2.1 турбокомпрессора 10.1 под углом в соответствующем направлении для его раскрутки. С этой целью баллон 48 сжатого воздуха (например под давлением 40 бар) соединен через электрический вентиль 49 и редуктор непосредственно с системой 47.1 запуска и через отверстие 50 с одной из сторон 7. поршня 51 силового цилиндра 52 двух стороннего действия. Поршень 51 штоком 53 соединен с золотником 36 и с другой стороны может быть соединен через трехходовой электрический вентиль 54 или с напорным маслопроводом 55, или через калиброван ное отверстие 56 с обратным трубопроводом низкого давления. Оба электровентиля 49 и 54 управляются системой 57. Исходя из положения на фиг. 3, в котором находится турбокомпрессор 10.1 у электрический вентиль 5А находится в юложении, в котором напорный маслопровод 55 сообщается с нижней частью поршня 51. Когда система 57 обнаруживает, что частота вращения двигателя 1 превьшает -критический порог, она направляет сигнал на электрические вентили 49 и 54. Этот сигнал заставляет электрический вентиль 49 сообщить баллон 48 сжатого воздуха с системой запуска 47.1. Одновременно электрический вентиль 54 находится в положении, в котором нижняя часть поршня 51 сообщается с возвратным трубопроводом через калиброванное отверстие 56. Вследствие этого поршень 51 переводит золотник 36 в положение на фиг. 4 с запаздыванием, достаточным для того, чтобы турбокомпрессор 10.1 был запущен в момент, когда в его турбину 8.1 начинают поступать горячие газы при положении золотника 36, показанном на фиг. 4. Затем электрический вентиль 49 закрывается, и воздух, поступающий из компрессора 2.1 через отверстие системы 47.1, поддерживает под давление верхнюю часть поршня 51 (фиг. 3 штри пунктирные линии). Если исходить из положения (фиг.4 в,котором турбокомпрессор 10.1 работает, и когда система 57 обнаруживае что число оборотов двигателя 1 понижается ниже критического порога, эта система 57 подает сигнал на электрический вентиль 54, который занимает положение, в котором нагнетательньй маслопровод 55 снова сообщается с нижней частью поршня 51, следовател но, блок занимает положение, изображенное на фиг. 3. Порядок запуска и регулирования числа оборотов двигателя поясняется с помощью фиг. 5. Оба компрессора 48 2.1 и 2.2 содержат одинаковую систему запуска. Два электрических вентиля 58.1 и 58.2 установлены на двух тр.убопроводах 59.1 и 59.2, соединяющих баллон 48 сжатого воздуха соответственно с двумя системами запуска 47.1 и 47.2. Вспомогательный трубопровод 60 соединяет между собой части трубопроводов 59, расположенные ниже соответственно электрических вентилей 58.1 и 58.2. Вспомогательный трубопровод 60 снабжен двумя электрическими вентилями 61.1 и 61.2, от участка меладу которыми отходит трубопровод 62, кото- , рый входит в {самеру 63, в которую помещена верхняя часть поршня 29, npri этом камера 63 соединена с атмосферой через калиброванное разгрузочное отверстие 64. На трубопроводе 25, питающем дополнительную камеру сгорания 7, установлен электрический вентиль 65. Цилиндрическая втулка 66 контактирует с поверхностью 67. Вентиль 68 управляет подачей пускового воздуха, а ответвление 69 обеспечивает сообщение вентиля 54 с атмосферой. Когда двигатель 1 остановлен, электрические вентили 58.1 и 58.2 закрыты. До запуска двигателя 1 золотник 36 устанавливается в положение, соответствующее фиг. 3, в котором задняя часть поршня 51 сообщается с напорным трубопроводом 55 благодаря электрическому вентилю 54, затем начинают запускать один турбокомпрессор 10.1, оставив один электрический вентиль 58.1 закрытым и открыв другой электрический вентиль 58.2 таким образом, что система запуска 47.2 нагнетает сжатый воздух на-лопатки ротора компрессора 2.2 Вращаясь, ротор направляет воздух в первичную зону 16 дополнительной камеры сгорания 7 через 20 и 21 и во вторичную зону 17 через отверстия 31., Когда открывают электрический вентиль 61.1, сжатый воздух поступает в камеру 63, в которой с учетом калиброванного отверстия 64 повышается давление. Отверстие 64 должно быть рассчитано так, чтобы дросселирующие средства 18 были открыты полностью, обеспечивая самое большое проходное сечение для трубы 6 во время операции запуска одного из турбокомпрессоров. Когда один из

9

электрических вентилей 61.1 или 61.2 снова закрыт, в камере 63 создается атмосферное давление через отверстие 64, и дросселирующие средства 18 снова возобновляют нормальное регулирование согласно требуемому соотношению. Одновременно с электрическими вентилями 58.2 открывают электрический вентиль 61.2 таким образом, чтобы направить сжатый воздух в камеру 63 и открыть клапан 28, и открывают электрический вентиль 65 таким образом, чтобы форсунка или форсунки 24 впрыскивали топливо в количестве, достаточном для обеспечения независимости турбокомпрессора, одновременно производят зажигание в дополнительной камере сгорания 7. Как только турбокомпрессор получает возможность вращаться независимо, закрывают электрический вентиль 58.2.

Затем запускают двигатель 1, который всасывает воздух, нагнетаемьш турбокомпрессором, и увеличивают частоту его вращения до крейсерской скорости (меньше определенной вьше критической величины порога).

Если система 57 обнаруживает (фиг. 3), что частота вращения двигателя 1 превышает его критический порог, открывается электрический вентиль 58.1 для обеспечения нарас. тания давления, развиваемого турбокомпрессором 10.1. Когда турбокомпрессор 10.1 развивает заданное давление, он включается в сеть посредством перехода золотника 36 из положения на фиг. 3 в положение на фиг. 4. Так как свежий воздух напра.ляется турбокомпрессорным агрегатом в обводную трубу 6, дополнительная камера сгорания 7 сообщает дополнительную энергию на турбину 8.1 одновременно с тем, когда электрический вентиль 58.1 закрыт.

Для возврата к эксплуатационному режиму изолируют турбокомпрессор посредством перевода золотника 36 из положения на фиг. 4 в положение на фиг. 3.

3410

Для остановки двигателя 1 прекращают подачу топлива в двигатель и в дополнительную камеру 7.

.Изобретение не ограничивается описанными вариантами выполнения. Вместо одноступенчатого выполнения каждый турбокомпрессор 10.1 и 10.2 может быть второй ступенью агрегата наддува, как схематически изображено на фиг. б для турбокомпрессора 10.1. Первая ступень содержит компрессор 70.1, нагнетательный трубопровод 71.1 которого, снабженный промежуточным охладителем 72,1, подсоединен к входу компрессора 2.1. Выход турбины 8.1 соединен трубопроводом 73.1 с входом турбины 74.1, которая механическим путем приводит в движение компрессор 70.1 и которая составляет с ним турбокомпрессор первой ступени.

Распределитель 35 или вентили 33 и 34 можно приводить в действие не в зависимости от числа оборотов двигателя 1, а в зависимости от другого рабочего параметра двигателя, примеры которых приведены выше.

Изобретение может использоваться когда двигатель 1 содержит в трубе 6 дополнительную камеру сгорания 7 и . когда элементы 7 не являются необходимыми для реализации изобретения.

Таким образом, когда выключают турбокомпрессор, он продолжает вращаться, постепенно замедляясь, а воздух, нагнетаемый компрессором этого агрегата, направляется по перепускному канаЛу накоротко к турбине того же турбокомпрессора. Кроме того, отсутствует вероятность попадания воздуха в отключенный компрессор (нагнетаемого одним или другими несколькими компрессорами, которые еи;е работают) , находящегося в воздушном канале, вследствие чего устраняется возможность возникновения помпажа.

Сочетание средств, чувствительных к контролируемому параметру двигателя со средствами запуска турбокомпрессора позволяет также предотвратить возникновение помпажа на переходных режимах работы двигателя, В результате повышается надежность двигателя.

I ..,

21

И

/J/J.

22

Л

4

d1

/ 7 70 / /

«4

05 25 бГ.г60

-/J

;Ц 1

Ut

sфиг. 6