Система наддува двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1986 года по МПК F02B37/00 F02D23/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть применено в двигателях внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом и с дополнительной камерой сгорания.

Цель изобретения - повышение эффективности путем стабилизации коэффициента избытка воздуха и повышения КПД в области режимов малых и средних нагрузок при пониженных частотах вращения вала двигателя.

На чертеже представлена принципиальная схема системы наддува двигателя внутреннего сгорания.

Система наддува содержит свободный турбокомпрессор 1 с воздухонапорным патрубком 2 и газоприемным отверстием 3, обводной трубопровод 4, дополнительную камеру 5 сгорания, орган 6 изменения расхода топлива в дополнительной камере 5 сгорания, дроссель 7 первичного воздуха и регулятор 8 степени новьипении давления наддува.

Турбокомпрессор 1 подсоединен через воздухонагюрный патрубок 2 и газоприемное отверстие 3 к цилиндрам двигателя 9. Обводной трубопровод 4 подключен к воз- духонапорному патрубку 2 и газоприемному отверстию 3 турбокомпрессора 1. Дополнительная камера 5 сгорания установлена в обводном трубопроводе 4. Орган 6 изменения расхода топлива подсоединен через входное отверстие 10 к топливному насосу 11, а через выходное отверстие 12 - к камере 5 сгорания. Дроссель 7 первичного воздуха установлен в обводном трубопроводе 4 и подключен к регулятору 8 степени повьпления давления наддува и к органу 6 изменения расхода топлива.

Орган 6 изменения расхода топлива выполнен в виде регулируемого дросселя, снабженного плунжером 13, наружной подвижной соос1юй втулкой 14 и двумя сильфона- ми 15 и 16, разделенными перегородкой 17, снабженной дроссельным отверстием 18 и перепускным клапар ом 19. Плунжер 13 и подвижная втулка 14 вьпюлнены с каналами 20 и 21, подсоединенными к входному и выходному отверстиям 10 и 12 органа 6 изменения расхода топлива. Дроссель 7 первичного воздуха подключен к органу 6 изменения расхода топлива через его плунжер 13, наружная втулка 14 подсоединена к одному из сильфопов 15, а другой сильфон 16 подсоединен к воздухонапорному патрубку 2 турбокомпрессора 1.

Камера 5 сгорания снабжена огневой зоной 22, форсункой 23, воздушными каналами 24, перепускным трубопроводом 25 и дросселем 26 перепуска воздуха. Плунжер 13 органа 6 изменения расхода топлива подключен к дросселю 7 через систему рычагов 27, а регулятор 8 степени повышения наддува подсоединен через сервомотор 28 к системе рычагов 27.

5

Система наддува работает следующим образом.

В период предпусковой подготовки двигателя 9 систему наддува выводят в автономный режим, для чего с помош,ью пускового устройства (не показано) раскручивают турбокомпрессор 1 и подают топливо с помощью насоса 11 в камеру 5 сгорания. Топливо из бака поступает в насос 11 и но трубопроводу поступает во входное отверстие

10 органа 6 изменения расхода топлива, откуда попадает в канал 20 втулки 14 и далее через косой продольный паз истекает в канал 2 плунжера 13, откуда через канал 20 во втулке 14 и отверстие в корпусе органа

6 топливо поступает в форсунку 23 и распы- ливается ею в огневой зоне 22 камеры 5 сгорания.

Дроссели 7 и 26 предельно открыты, и распыливаемое топливо поджигают в потоке

0 первичного воздуха, поступающего из турбокомпрессора 1 по воздухонапорному патрубку 2 на вход камеры 5 сгорания. Высокотемпературные продукты сгорания истекают из огневой зоны 22 и cмeuJивaютcя с потоком воздуха, нагнетаемым турбокомпрессором I по перепускному трубопроводу 25 в полость камеры 5 сгорания и являются вторичным воздухом, т. е. разбавляющим. Смесь продуктов сгорания с вторичным воздухом поступает в газоприемное отверстие 3 турбокомпрессора 1 и создает в турбине избыточную работу, позволяющую отключить пусковое устройство турбокомпрессора 1 и раскрутить ротор до такой частоты, при которой обеспечивается заданная пусковыми условиями двигателя (степень сжатия и атмо2 сферной температурой) минимальная степень повышения давления в компрессоре турбо- комлрессора 1 (/7х мни), при достижении которой включается в работу регулятор 8 давления наддува.

Если при раскрутке ротора турбоком0 прессора 1 сервомотор 28 выводят ла упор, обеспечивая полное открытие дросселя 1 первичного воздуха и максимальное проходное сечение в органе 6 изменения расхода топлива (в зазоре между г.азом плунжера 13 и канавкой втулки 14), при достижении

величины n,.. -iiii (или измеряемого ее эквивалента -- величины давления наддува - РАМЧИ), а тем более при превышении этой величины, регулятор 8 посылает сервомотору 28 команду на умец- :::ение расхода топлива

., (и первичного воздуха) в камере 5 сгорания, в результате чего проходное сечение в дросселе 7 и в органе 6 с помощью системы рычагов 27 несколько уменьшается и поддерживается на заданном уровне.

При этом втулка 14 органа 6 изменения

5 расхода топлива в результате предварительной настройки затяга пружины устанавливается в таком равновесном положении, что при действии на стенку сильфона 16

давления РКМИН между проходным сечением дросселя 7 и расходом топлива форсункой 23 устанавливается зависимость, обеспечивающая оптимальный коэффициент избытка первичного воздуха а i (в огневой зоне 22 камеры 5 сгорания). Арретирование связи втулки 14 с сильфоном 16, осуществляемое с помощью промежуточного звена - сильфо- на 15, вязкой жидкости и дроссельного отверстия 18, устраняет опасность потери устойчивости в процессе динамического ре- гулирования давления наддува, в котором эта связь является положительной обратной связью.

После запуска двигателя 9 при его работе на холостых ходах и самых малых нагрузках в зависимости от частоты враще- НИИ коленчатого вала в дросселе 26 в той или иной мере уменьшается проходное сечение с помощью регулятора перепуска воздуха (не показан), а в связи с подачей на турбину турбокомпрессора 1 выпускных газов из двигателя 9 регулятор 8 давления наддува, воздействуя на сервомотор 28 и систему рычагов 27, несколько уменьшает проходное сечение в дросселе 7 и в органе 6 (перемещением плунжера 13) для сохранения поддерживаемого давления наддува кмин

При ЭТОМ втулка 14 остается неподвижной и сохраняется первоначальная зависимость FI /С т, а вследствие этого и ai const, где F - площадь проходного сечения дросселя 7, gT - расход топлива.

В случае резкого приема полной нагрузки двигателем 9 регулятор 8 вырабатывает команду на увеличение проходных сечений в дросселе 7 и в органе 6 изменения расхода топлива, однако, если втулка 14 остается неподвижной, при возрастании Як и плотное- ти нагнетаемого турбокомпрессор01М 1 воздуха сечение в дросселе 7 избыточное, коэффициент (Zj возростает и камера 5 сгорания угасает, что в случае пониженных частот вращения коленчатого вала приводит к дым- лению, перегреву и отказу в приеме нагрузки.

При росте давления наддува Р„, действующего на стенку сильфона 16, между внутренними полостями сильфонов 16 и 15 нарастает перепад давлений вследствие дрос- селирования при перетекании жидкости через малое дроссельное отверстие 18. При достижении заданного (допустимого) перепада давлений срабатывает перепускной (предохранительный) клапан 19 и жидкость через большое отверстие свободно перетекает из сильфона 16 в сильфон 15, который перемещает втулку 14 и сжимает пружину. Характеристика пружины должна быть подобрана с учетом профиля косого паза на плунжере 18 и диапазона изменения давле- рия наддува Р. Указанное перемещение втулки 14 приводит к увеличению проходного сечения в органе 6 изменения расхода топлива и росту расхода топлива в камере и сгорания при неизменном проходном сечении дросселя 7 первичного воздуха. Этим корректируется зависимость Fr К й восстанавливается первоначальное значение cxj const в огневой зоне 22.

Если к концу переходного режима двигателя 9 давление Pk оказывается превышающим требуемую величину, то регулятор 8 уменьшает это давление воздействием на плунжер 13 органа 6 и дроссель 7 и поддерживает его на установившемся режиме по мере коррекции положения втулки 14 при медленном перетекании жидкости из сильфона 15 через отверстие 18 в сильфон 16.

При изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя 9 при постоянной нагрузке, т. е. при постоянных давлении Pk и положении втулки 14, изменяется количество перепускаемого в параллель двигателю воздуха (дросселем 26) и расход топлива в камере 5 сгорания при одновременном воздействии регулятора 8 на плунжер 13 органа 6 изменения расхода топлива и дроссель 7 с сохранением неизменной зависимости fJ /(i gr и оптимального значения коэффициента ai const.

При сбросе нагрузки с двигателя 9 падает давление и плотность нагнетаемого турбокомпрессором 1 воздуха, поэтому некоторое время после сброса нагрузки проходные сечения в дросселе 7 и в органе 6 остаются рассогласованными, а коэффициент избытка первичного воздуха мал. Это сопровождается сохранением устойчивости, но потерей полноты сгорания топлива.

Однако в процессе замедленного перетекания жидкости из сильфона 15 под действием пружины через дроссельное отверстие 18 в сильфон 16 и корректировки коэффициента пропорциональности в зависимости сечения в дросселе 7 от рас.хода топлива в форсунке 23 происходит повышение коэффициента избытка первичного возду.ха до оптимального значения и подавление неполноты сгорания топлива в огневой зоне 22 камеры 5 сгорания.

Предложенный способ может быть реализован в устройствах другого типа, в частности с корректирующим звеном в цепи передачи команд от регулятора давления наддува к дросселю первичного воздуха.

Результатом применения изобретения в двигателях внутреннего сгорания на установившихся режимах работы является стабилизация на оптимальном уровне коэффициента избытка воздуха в зоне горения камеры сгорания в широко.м диапазоне допусти.мого изменения топливоподачи. В связи с тем, что на режимах работы двигателя с перепуском части воздуха с компрессора на турбину во всем диапазоне изменения степени повышения давления в компрессоре скорости воздуха, истекающего в горения из воздухонаправляющих устройств камеры сгорания, изменяются весьма незначительно (не более, чем в 1,2-1,3 раза при исполнении дросселя первичного воздуха непосредственно в воздухонаправляющих устройствах), стабилизация коэффициента избытка первичного воздуха служит надежным средством достижения высоких, приближающихся к 100%, коэффициентов полноты сгорания в камере

сгорания, а следовательно, и максимально достижимых КПД двигателя. Особо высокой эффективностью изобретение обладает в области режимов работы двигателя с наименьшими частотами вращения коленчатого вала при средних и малых нагрузках, где экономия в удельном расходе топлива может достигать 100-150 г/кВтч и более.

15 78 W 6

11 /

С;остувите. 1ь В. Козлов

Р актор О ГоловачТехред И. ВересКорректор Е. Рошко

Заказ 3003/34Тираж 523Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4