Способ работы дизеля с турбонаддувом и дизель с турбонаддувом Советский патент 1993 года по МПК F02B29/08 

Изобретение относится к двигателест- роению и может быть использовано в автотракторных дизелях с турбонаддувом.

Цель изобретения - повышение качества процесса сгорания и экономичности дизеля на режиме с неполной нагрузкой и улучшение динамических качеств дизеля.

На фиг, 1 представлена зависимость положения рейки топливного насоса (нагрузки) от частоты вращения дизеля, характеризующая поле возможных режимов работы дизеля; на фиг. 2 - зависимость коэффициента избытка воздуха от положения рейки топливного насоса при постоянной частоте вращения дизеля; на фиг. 3 - зависимость коэффициента избытка воздуха от частоты вращения при работе дизеля по внешней скоростной характеристике; на фиг. 4 - зависимость эффективного КПД от коэффициента избытка воздуха при постоянной частоте вращения дизеля; на фиг. 5 - целесообразный закон изменения угла окончания впуска воздуха в цилиндры двигателя (фазы впуска) в зависимости от положения рейки топливного насоса; на фиг. 6 - целесообразный закон изменения угла начала выпуска отработавших газов из цилиндров дизеля (опережения момента начала выпуска) в зависимости от давления наддува, на фиг. 7-9 - принципиальная схема предлагаемого дизеля с турбонаддувом.

Предлагаемый способ работы дизеля с турбонаддувом заключается в следующем. Одним из важнейших параметров, характеризующих протекание рабочего процесса дизеля является воздушно-топливное соотношение. Соотношение подачи топлива и воздуха в цилиндры двигателя характеризуется коэффициентом избытка воздуха а. , равным a gB/(grL), где дв и дт- цикловые подачи воздуха и топлива, L - количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания 1 кг топлива. Выбор оптимальной величины коэффициента избытка воздуха на эксплуатационных режимах работы дизеля позволяет обеспечить на этих режимах высокие индикаторные показатели, характеризующие качество рабочего процесса двигателя.

При разработке комбинированного двигателя внутреннего сгорания характеристики турбокомпрессора подбираются таким образом, чтобы на режиме с номинальной частотой вращения и полной нагрузкой (точка а, на фиг. 1) обеспечивалось оптимальное воздушно-топливное соотношение. Но при снижении подачи топлива или уменьшении частоты вращения дизеля происходит рассогласование характеристик дизеля и турбокомпрессора. Снижение подачи топлива (например, по предельной регуляторной характеристике a-d, фиг. 1) приводит к тому, что уменьшаются расход Gr и энергия отработавших газов, поступающих на турбину, частота вращения ротора турбокомпрессора и давление наддува. Однако уменьшение подачи топлива по регуляторной характеристике более значительно, чем

0 уменьшение давления наддува. В результате коэффициент избытка воздуха на режимах с частичной подачей топлива увеличивается. На фиг. 2 представлена зависимость коэффициента избытка воздуха от по5 ложения рейки топливного насоса для дизеля Д6Н (6 ЧН 15/18) при различных частотах вращения дизеля (Данилов Ф.М. Анализ динамических свойств системы автоматического регулирования дизеля с тур

0 бонаддувом. Диссертация на соискание ученой степени канд.тех.наук. М.: МВТУ им. Баумана, 1967. - 141 с.). Максимальная подача топлива соответствует положению рейки hp 13 мм, С уменьшением hp подача

5 топлива уменьшается. Как следует из фиг. 2 .j- зависимость коэффициента избытка воздуха от подачи топлива достаточно ярко выражена и слабо изменяется при изменении скоростного режима работы дизеля.

0 Уменьшение частот вращения дизеля при работе внешней скоростной характеристике (по характеристике a-d, фиг, 1 приводит к тому, что подача топлива в дизель изменяется сравнительно слабо (hp hp max

5 const), а расход и энергия отработавших газов через турбину турбокомпрессора и расход GB воздуха через дизель значительно уменьшаются; В результате коэффициент избытка воздуха падает. Так, при работе

0 дизеля Д6Н на режиме с номинальной частотой вращения (п ном 1500 ) и полной нагрузке (hp 13 мм) коэффициент избытка воздуха равен а 1,7 (фиг. 3). С уменьшением частоты вращения по внешней харак5 теристике а уменьшается и при малых частотах вращения достигает величины ,2 (см. фиг. 3), что меньше предела дым- ления, равного а 1,2...1,3. При таких коэффициентах избытка воздуха поданное в

0 цилиндры двигателя топливо сгорает не полностью, что приводит к ухудшению экономичности и к значительному увеличению дымности отработавших газов.

Максимальная экономичность дизеля

5

соответствует оптимальному воздушно-топливному соотношению. Снижение и увеличение а относительно оптимального для данного режима значения уменьшает эффективный КПД двигателя и увеличивает

удельный расход топлива. В дизеле Д6Н максимум эффективного КПД rj e обеспечивается при а 1,7...2,5. При частоте вращения п 1420мин 1 уменьшение а с 2,2 до 1,5 приводит к снижению ije с 0,402 до 0,38, а увеличение а до 3,7 - к снижению г)е АО 0,37 (см. фиг. 4). Аналогичная закономерность прослеживается и на других скоростных режимах.

Как отмечено выше, при работе дизеля на режимах с частичной нагрузкой коэффициент избытка воздуха увеличивается и на режимах холостого хода (в точках d,e,f, фиг. 1) достигается а 6...7. Снижение а при работе на режимах с частичной нагрузкой может значительно улучшить экономичность дизеля. При заявляемом способе работы дизеля это достигается перепуском части воздушного заряда из цилиндров во впускной коллектор при снижении подачи топлива. Управление перепуском осуществляется таким образом, что при цикловой подаче топлива закрытие впускного клапана задерживается после нижней мертвой точки (НМТ) поршня и при своем ходе сжатия поршень осуществляет регулируемый обратный перепуск воздуха из цилиндра во впускной коллектор. Это приводит к снижению количества оставшегося в цилиндре воздуха к моменту впрыска топлива, сниже- нию воздушно-топливного соотношения и повышению температур в цилиндре, что позволяет повысить индикаторный КПД цикла сгорания и одновременно повысить эффективный КПД за счет снижения затрат рабо- ты на сжатие меньшей величины воздушного заряда.

Анализ экспериментальных данных по дизелю 6 ЧН 15/15 показывает, что с уменьшением подачи топлива от полной (при поло5- жении рейки мм) до подачи холостого хода ( мм) по предельной регуляторной характеристике (по характеристике a-d, фиг. 1)угол окончания впуска целесообразно изменить с 40° до 80° поворота коленчатого вала после нижней мертвой точки (см. фиг. 5). Это позволяет, например, на режиме максимального холостого хода (в точке d, фиг. 1) снизить коэффициент избытка воздуха с 6,0 до 2,5 и повысить, тем самым, топ- ливмуювэкономичность дизеля на этом режиме на 5%.

Как отмечено выше, при работе дизеля по внешней характеристике и уменьшении частоты вращения коленчатого вала коэф- фициент избытка воздуха уменьшается вследствие уменьшения энергии и расхода отработавших газов чере з турбину и, следовательно, уменьшения давления наддува.

Для устранения этого недостатке на ряде дизелей используются пневматические корректоры топливоподзчи и обратные корректоры, обеспечивающие уменьшение подачи топлива при частотах вращения n b м кр max (характеристика с-д, фиг. 1). Однако, при использовании этих корректоров ухудшаются динамические качества дизеля.

При заявляемом способе работы дизеля снижение расхода воздуха через дизель, вызванное снижением частоты вращения дизеля или нагрузки, усугубляется снижением расхода воздуха через дизель, вызванным перепуском воздуха из цилиндров во впускной коллектор на такте сжатия при снижении нагрузки. В результате уменьшается энергия и расход отработавших газов через турбину и частота вращения турбокомпрессора падает. Это приводит к уменьшению давления наддува и к ухудшению динамических качеств дизеля, так как при набросе нагрузки на дизель время разгона выпускного клапана в каждом цикле начинается ранее нижней мертвой точки, что обеспечивает рост давления и температуры отработавших газов, а также соответствующий рост частоты вращения ротора турбокомпрессора и увеличение давления наддува на пониженных скоростных режимах с неполной нагрузкой.

Анализ экспериментальных данных по дизелю 6 ЧН 15/15 показывает, что с уменьшением давления наддува с номинального ( ркНЭ, 17 МПа) до атмосферного (,1 МПа) угол начала выпуска отработавших газов целесообразно изменить с 70 до 86° поворота коленчатого вала до нижней мертвой точки (мс. фиг. 6). Такой закон изменения опережения момента начала выпуска позволяет, например, на режиме с минимальной частотой вращения nmin и полной нагрузкой (точка Ь, фиг. 1) увеличить частоту вращения ротора турбокомпрессора с 20000 до 24000 мин , повысить коэффициент избытка воздуха с 1,2 до 1,35 и сократить, тем самым, время разгона дизеля с полкой нагрузкой с 10 до 8 с.

На фиг 7. 8, 9 представлена принципиальная схема предлагаемого дизеля стурбо- наддувом. Дизель с турбонаддувом содержит механизм изменения фазы и механизм изменения момента начала выпуска отработавших газов. Механизм изменения фазы впуска включает кулачковый валик газораспределения 1 с кулачками 2, опирающиеся на кулачки 2 штоки 3, гидравлические полости 4 с отверстиями 5 для подвода масла из масляной системы дизеля, промежуточные элементы 6, взаимодействующие с коромыслами 4 и впускные клапаны 8 с пружинами 9. Штоки 3 подпружинены пружинами 10 к кулачкам 2 и имеют прямые 11 и косые 12 кромки, сверления 13 и размещенные на штоках шестерни 14. Шестерни 14 находятся в зацеплении с рейкой 15 меха- низма изменения фазы впуска.

Механизм изменения момента начала выпуска отработавших газов содержит толкатели 16, опирающиеся на кулачки 2 кулачкового валика газораспределения гидравлические полости 17 с отверстиями 18 для подвода масла из масляной системы, промежуточные элементы 19, взаимодействующие с коромыслами 20, и выпускные клапаны 21 с пружинами 22, Толкатели 16 подпружинены пружинами 23 к кулачкам 2 и имеют прямые 24 и косые 25 кромки, сверления 26 и размещение на толкателях шестерни 27. Шестерни 27 находятся в зацеплении с рейкой 28 механизма измене- ния момента начала выпуска.

Турбина 29 турбокомпрессора 30 сообщена с цилиндрами 31 через выпускной коллектор 32, в котором выпускные клапаны 21. Компрессор 33 турбокомпрессора 30 сооб- щен с цилиндрами 31 через впускной коллектор 34, в котором размещены впускные клапаны 8,

Рейка 15 (фиг. 8) механизма изменения фазы впуска через дополнительный рычаг 35 соединена с дозирующей рейкой 36 топливного насоса 37 дизеля. Рейка 28 (фиг. 9) механизма изменения момента начала выпуска соединена с мембраной 38 пневмо- корректора 39, имеющего пружину 40 и полость 41.

Дизель с турбонаддувом (фиг. 7, 8, 9) работает следующим образом. При работе дизеля на режимах с неполной нагрузкой дозирующая рейка 36 топливного насоса 37 перемещается вправо (на величину -hp) в положение частичной подачи топлива, что вызывает перемещение влево рейки 15 механизма изменения фазы впуска. В результате шестерни 14 со штоками 3 поворачиваются вокруг своих осей, а косые кромки 12 штоков, определяющие момент закрытия впускного клапана 8, поворачиваются относительно отверстий 5 для подвода масла. При движении штока 3 вверх, вы- званном набеганием на него кулачка 2. момент открывания открытия впускного клапана 8 соответствует моменту полного перекрытия отверстия 5 для подвода масла прямой кромкой 11, а момент закрытия впу- скного клапана - моменту начала открытия отверстия 5 косой кромкой 12. Таким образом, при повороте штоков 3 вокруг своих осей момент открытия впускного клапана не изменяется, а момент закрытия - изменяется. Причем с уменьшением подачи топлива момент закрытия впускного канала смещается на линию сжатия в сторону более позднего закрытия клапана.

При работе дизеля на режимах с низкими давлениями наддува мембрана 38 пнев- мокорректора 39 с рейкой 28 механизма изменения момента начала выпуска отработавших газов перемещаются вправо. В результате шестерни 27 с толкателями 16 поворачиваются вокруг своих осей, а косые кромки 25 толкателей поворачиваются относительно отверстий 18 для подвода масла. При движении толкателя 16 вверх, вызванном набеганием на него кулачка 2, момент открытия выпускного клапана 21 соответствует моменту полного перекрытия отверстия 18 для подвода масла косой кромкой 25, а момент закрытия выпускного клапана - моменту начала открытия отверстия 18 прямой кромкой 24. Таким образом, при повороте толкателей 16 вокруг своих осей момент закрытия выпускного клапана не изменяется, а момент открытия - изменяется. Причем с уменьшением давления наддува момент открытия выпускного клапана смещается в сторону более раннего выпуска отработавших газов, т.е. газов с более высокими температурой и давлением. Из рассмотрения работы дизеля с турбонаддувом на фиг. 7, 8, 9 следует, что он позволяет реализовать заявляемый способ работы дизеля с турбонаддувом.

Использование заявляемого способа работы с турбонаддувом по сравнению с прототипом позволяет повысить экономичность дизеля на режимах с неполной нагрузкой. Так, например, на режиме максимального холостого хода удельный эффективный расход топлива уменьшается с 265 до 252 г/кВт ч т.е. на 5%. Учитывая распределение режимов работы.транспортного дизеля при эксплуатации среднеэксп- луатационный удельный эффективный расход топлива уменьшается с 240 до 234 г/кВт ч, т.е. на 2,5%.

Кроме того, использование заявляемого способа работы дизеля с турбонаддувом по сравнению с прототипом позволяет улучшить динамические качества дизеля. Так, например, время разгона дизеля с полной нагрузкой сокращается с 10 до 8 с.

Формула изобретения

1. Способ работы дизеля с турбонаддувом, заключающийся в перепуске воздуха из цилиндров дизеля во впускной коллектор на такте сжатия на режимах с неполной нагрузкой, отличающийся тем, что, с целью повышения качества процесса сгорания и экономичности дизеля на режимах с

неполной нагрузкой и улучшения динамических качеств дизеля, одновременно с перепуском воздуха осуществляют опережение момент та начала выпуска отработавших газов из цилиндров в выпускной коллектор на такте расширения.

2. Дизель с турбонаддувом, содержащий цилиндры, систему газораспределения, состоящую из механизма изменения фазы впуска воздуха с кулачковым валиком, штока, выпускного клапана, и дозирующее устройство с рейкой, отличающийся тем, что он снабжен мембранным пневмо- корректором, механизмом изменения момента начала выпуска отработавших газов с

,

0

5

рейкой и толкателем, установленным с возможностью взаимодействия с кулачковым валиком, коромыслом, взаимодействующим с ним выпускным клапаном, дополнительным рычагом с двумя шестернями, одна из которых размещена на толкателе, установленном с возможностью взаимодействия с коромыслом, а другая - на штоке механизме изменения фазы впуска воздуха, при этом, механизм изменения фазы впуска кинематически связан через дополнительный рычаг с рейкой дозирующего устройства, которая установлена с возможностью взаимодействия с шестерней штока, а мембрана пневмокоррекотора кинематически связана с шестерней, размещенной на толкателе.

Изобретение относится к двигателест- роению, а именно к дизелям с турбонадду- вом автотракторного значения. Сущность изобретения: способ работы дизеля заключается в том, что при работе на режимах с неполной нагрузкой одновременно осуществляется перепуск воздуха из цилиндров JBO впускной коллектор на такте сжатия и более ранний выпуск отработавших газов из цилиндров в выпускной коллектор на такте расширения. Дизель с турбонаддувом для осуществления предлагаемого способа работы содержит механизм изменения фазы выпуска с кулачковым валиком 1 газораспределения, штоками 3. имеющими прямые 11 и косые 12 кромки, гидравлическими полостями 4 и с отверстиями 5 для подвода масла, промежуточные элементы 6, взаимодействующие через коромысла 7 с впускными клапанами 8, и механизм изменения момента начала выпуска отработавших газов с кулачковым валиком 1 газораспределения, толкателями 16, имеющие прямые 24 и косые 25 кромки, гидравлическими полостями 17 с отверстиями 18 для подвода масла и промежуточными клапанами 21. При уменьшений подачи топлива штоки 3 поворачиваются вокруг своей оси, изменяя тем самым момент закрытия впускных клапанов 8 в сторону более позднего закрытия клапанов. При уменьшении давления наддува толкатели 16 поворачиваются вокруг своих осей, изменяя тем самым момент открытия выпускных клапанов 21 в сторону более раннего открытия клапанов, 2 с.п. ф-лы, 9 ил. Ъ С

1400

ntnun 1

0,34

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 W

У конца Йпусха, град после НМТ

72

56

чг

Риг. V

X

10 12 14 Рнг. S...

V, дгдг