Устройство для наддува двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1977 года по МПК F02B37/12 

печить запуск двигателя и его экономичную работу на частичных нагрузках, В обводной трубе таких устройств вмест . запорного органа устанавливают орган дрос селирования, подключенный к индикатору режима работы 2, Этот индикатор выполнен в виде подвижной стенки полости,сообщенной с обводной трубой. При повышении давл ния в трубе стенка перэмешается и смещает оргавсфосселирования (В сторону уменьшения проходного сечения. Дросселирующий орган в этих устройствах испытывает действие си лы, пропорциональной перепаду давлений и сочетает функцию дросселирования с функцией управления, т.е. не уравновешен. Комп леке дросселирующего и управляющего орга нов представляет собой осциллятор. На некоторых режимах этот осциллятор может войти в резонанс, что вызывает нестабильнсзЬть аэродинамического потока в обводной трубе и, как следствие, может вызвать пом паж в компрессоре, неустойчивую работу ка меры сгорания и даже разрушение органа фосселщ}ования, Заксж регулирования потери напора дР в таком дросселе приблизительно может быт охарактеризован линейной завйЬимостью: дР (хР + /2., Где fb - коэффициент, зависящий от усилвя пружины, Р - давление в трубе перед оргааом дросселе роваыия, . 06 - К08фф1щиент. Причем, есян коэффициент/3 можно изме нять путем возае&;твия на пружину, то коэ фвцйевт оС «фактически не поддается регулсфованяю в завнсит от рабочих параметров двигателя. Линейная зависимость потерн от расхода не совпадает с линией максимальаых КПД компрессора, что снижает эффективность его использования с таким саганом щ)осселироваиия. Кроме того, перестановочные усилия, де ствующие на орган дросселирования, зависят от его размеров. В результа1е этого, ОЛЯ изменения величины перестановочного усилия необходимо изменять размеры органа дросселирования. Целью изобретения является повышение устойчивости регулирования режима работы. ДАН достижения поставленной цели индикатор режима работы выполнен в виде датчика перепада давлений в органе дросселирования. Датчик может быть выполнен в ви де подвижной стенки, размешенной в емкости между отсеками, подсоединенными к участкам трубы, отделенным один от другого органом дросселирования, и соединен с последним при помощи механизма уменьшения сечения трубы при уменьшении перепада давлений. Один из отсеков емкости может быть подсоединен к участку трубы, заключенному между органом дросселирования и воздухонапорным патрубком, яругой - к источнику эталонного давления, а к участку трубы, заключенному между органом дросселирования и газоприемным патрубком турбокомпрессора, подсоединен дополнительный отсек емкости, образованный торцовой стенкой и прикрепленным к подвижной стенке диском увеличенного диаметра. Источник эталонного давления может быть выполнен в виде канала, сообщенного с атмосферой, или в виде резервуара, сообщенного с атмосферой при помощи жиклера, снабженного :подвижной иглой, подсоеди- ненный к нему отсек емкости п{4и этом должен быть дополнительно сообщен с обводной трубой пра помощи жиклера постоянного сечения. Подвижная игла кинематически соединена с датчиком давления в трубе. Подвижная стенка емкости может быть сопряжена с пружиной сжатой при закрытом положении органа дросселирования и установленной на подвижной опоре, связанной с дополнительным датчиком давления в трубе. Механизм уменьшения сечения трубы может быть выполнен с гидравлическим ; усилителем импульса перемещения подвижной стенки. Датчик перепада давлений может быть выполнен в виде преобразователей давления в электрические сигналы и соединен с органом дросселирования при помощи электронного контура управления его положением, а последний может быть выполнен с возможностью подключения его к счетно-вычислительному устройству. На фиг. 1 показана принципиальная схе- ма предлагаемого устройства; на фиг. 2 орган дросселирования и механизм управления его положением; на фиг. 3 - вариант выполнения механизма управления; на фиг.4характеристика воздушной части турбокомпрессора и характеристики различных щ)осселирующих средств; на фиг. 5- вариант выполнения органа дросселирования и механизма управления его положением, обеспечивающий почти линейный закон изменения потери напора, зависящей от давления наддува; на фиг. 6 - зависимость площади жиклера с подвижной иглой от давления наддува; на фиг. 7 привод органа дросселирования с гидравлическим усилителем, на фиг. 8 принципиальная схема органа дросселирования и электронного контура управления его положением; на фнг. 9 - принципиальная схема органа дросселировш1ия и электронного контура с корректировкой положения органа щэосселирования в зависимости от рабочих параметров цвигателя; на фиг. 10 притоипиальная схема запрограммированной системы электрического регулирования надд ва используемая, в частности, в судовой установке с винтом постоянного шага. Двигатель 1 внутреннего сгорания может быть четырехтактным с пониженной степенью сжатия (меньше 12), но может бь1ть и иного, в том числе и роторного, типа и с любым иным значением степени сжатия.. К его воздушному ресиверу 2 и выхлопному коллектору 3 подключен турбокомпрессор 4, газоприемный и воздухонапорный пат рубки которого сообщены между собой при помощи обводной трубы 5. В трубе жестко на оси установлена поворотная дроссельная заслонка 6 (орган дросселирования). Ось заслонки при помощи рычага 7 соединена с датчиком перепада давлений в органе дросселирования (варианты выполнения показань на фиг. 2, 3, 5 и 6): Турбокомпрессор состоит из турбины 8 и компрессора 9, расположенных на обшем валу. Со стороны всасывания воздуха в компрессор .может быть установлен не показанный на чертеже пусковой электромотор с муфтой сцепления. Компрессор должен иметь повышенную степень сжатия, превышающую 6, При необходимости обеспечения более высокой степени сжатия (выше 1О) компрессор может быть выполнен многоступенчатым и многокорпусным с промежуточным охлаждением. Дополнительная камера сгорания 1О питается топливом, поступающим из топливоПровода 11 и обеспечивает повышение температуры газов, поступающих в турбину из коллектора. Количество впрыскиваемого в . камеру топлива дозируется управляющей системой 12, не допускающей падения давления наддува ниже заданного значения. При этом обводной трубопровод постоянно открыт во время работы и обеспечивает постоянную перетечку по нему воздуха, не всасываемого двигателем, в турбину, Поворотная дроссельная заслонка создает в трубопроводе сопротивление, потеря напора в котором л Р - Pj - РЗ в основном пропорциональна давлению Р, на выходе из компрессора и не зависит от расхода воздуха. Орган дросселирования может быть выполнен также в виде иных уравновешенных уст ройств, например золотника или шибера. Орган дросселирования подключен к датчику перепада давлений в нем при помоши органов управления его положением. Один из вариантов выполнения датчика и органов управления показан на фиг, 2, Зтн эпе менты представляют собой корпус и размещенный в его емкости узел, связанный с рычагом 7 и состоящий из подвижных стенок. Подвижный узел состоит и з поршня 13 (или диска) увеличенного диаметра н стенка порщня 14 малого диаметра, соединенных между собой тягой 15, Поршни делят емкость на три отсека. Поршень 13 увеличенного диаметра образует в корпусе отсек 16, соединенный с участком трубы, заключенным межцу органом дросселирования и гаэоприемным патрубком турбокомп рессора. Торцовая поверхность поршня 14 малого диаметра отделяет в корпусе отсек 17, поясоециненный к участку трубы, заключенному между органом дросселирования н воздухонапорным патрубком турбокомпрессора. Заключенный между поршнями отсек 18 емкости сообщен с атмосферой, в связи с чем в нем устанавливается эталонное атмосферное давление F , В отсеке 17 расположена возвратная пружина 19, действующая в направлении увеличения проходного сечения органа дросселирования с усилием F. Если обозначить через и и S площади торцовых поверхностей поршней 13 и 14, то потеря давления Р в органе дросселирования определяется следукяцей математической зависимостью: (2) г;; S 5 отображающей линейный закон, Если с атмосферой соединить отсек 17, а отсек 18 - с трубой органом дросселирования и воздухонапоркым патруб ком турбокомпрессора, то математическая зависимость изменится и примет вид: 3.1Э ± З 2 S При этом линейный закон изменения Д Р сохранится, но до тех пор, пока расход будет меньше величины, при которой обусловленная полным открытием дросселя величина Д Р становится избыточной. На фиг. 3 площадь поршней выполнена одинаковой, но поршень 14 воздействует на поворотную заслонку через более короткий рычаг. При увеличении перепада давлений по об стороны органа дросселирования, усилия, действующие на поршни, поворачивают дроссельную заслонку в сторону увеличения проходного сечения. При уменьшении перепада

7

давлений сечение трубы уменьшается. Таким образом, механизм управления положением органа дросселирования представляет собой механизм уменьшения сечения трубы при уменьшения перепада давлений. Минимальное сечение трубы регламентируется характеристиуой возвратной пружины 19. На фиг. 4 представлена граница помпажа Т, соответствующая характеристике напор-расход компрессора. Использование линейной зависимости потери напора в органе дросселирования: допускает две возможных линии совместной работы: характеристику С | , расположенную далеко от границы помважа и в зоне низких КПД компрессора харктеристику С расположенную в зоне максимальных КПД компрессора, яр Пересекающую границу помпажа. Для решения вытекающей ий фиг. 4, дилеммы MOikHO использовать вариант выполн кия предлагаемого устройства, представленный на фиг. 5. Отсек 18 непосредственно соединен с участком трубы, заключенным между органом дросселирования и воздухонапорным патрубком, и давление в- нем райно давлению Rj . С этим же участком трубы при помощи жиклера постояннгого сечения 20 сообщен отсек 17. Кроме того, отсек 17 дополнительно сообщен с атмосферой при помощи жиклера 21, снабженного подвткной иглой 22. Таким образом, отсек 17 практически объединен с резервуаром эталонного давления, изменяхнцегося в первом приближении а соответствии с зависимостью: или: .P..Po(l-K|l), где S« и tij- площади жикле эов, К - коэффициент пропорциональг ности. В этих условиях потеря напора может быть определена из выражения: ЛРи Pr i-Ps окончательно: (-4;h-tMf-4:) Др.о.|1,,./,|.

Сечение или сечеиие Sy. ависят от рабочих параметров двигателя, учитываемых при желании модифицировать коэффи- 60

8

циенты линейного закона. На фиг. 5 жиклер 2.1 выполнен в виде отверстия в жесткой коробке, а игла 22 спрофилирован н прикреплена к торцовой стенке сильфона 23,

Oj сообщенного с обводной трубой и выполняющего роль датчика давления в трубе. Профиль иглы и характеристика сильфоне определяют характер изменения проходного сечения жиклера в зависимости от давления в трубе, например, по кривой, приведенной на фиг. 6. Можно установить и другие жиклеры, реагирующие на иные параметры двигателя. Чтобы воздействовать на коэффициент . /Э , можно делать опору пружины 19 подвижной, перемещающейся в зависимости от одного из параметров двигателя. Например, можно заменить пружину 19 пружиной 24, показанной на фиг. 2 пунктиром, расположен ной на подвижной стенке 25, полости 26, подключенной к трубе. В этом случае коэффициент ft зависит от давления Pg в трубе, в предлагаемом устройстве (фиг. 27 3,5) источником перестановочного усилия является перепад давлений. Однакой для большей четкости можно применить гидравлический усилитель импульса перемещения подвижной стенки (поршня) как показано на фиг. 7, Подвижный узел связан не с рычагом 7, а с иглой 26, перемешающейся в неподвижной насадке с целью изменения проходного сечения. Насадка размещена в магистрали выпуска масла из цилиндра 27, питаемого через жиклер 28 от насоса 29 постоянного давления. Положение иглы определяет величину давления в цилиндре, действующего на сило вой поршень ЗО, управляющий через рычаг 7 закрытием органа дросселирования 6, Пружина 31 препятствует перекрытию сечения. Подвижный узел jможет управлять не пропускным сечением гидроусилителя, а какимн1ибо датчиком, например ползунком электрического потенциометра, как показано на фиг. 8. Орган дросселирования а этом случае будет управляться электрическим приводом. Такое устройство позволяет обеспечить любой закон изменения напора в органе дросселирования в зависимости опт давления в трубе. Сигналы от датчиков 32 и 33 через предварительные усилители 34 и 35 и сопротивления 36 и 37 поступают на входы дифференциального усилителя 38, приводящего в движение орган дросселирования 6. Электродвигатель 39 привода органа дроссе-i лирования устанавливается уравновешенное положение всоответствии с выражением: 9 .579 ксугврое и определяет потерю напора Коэффициенты Kj и этом Выражешгй регулируются возаействием на сопротивления 36 и 37. Как было показано выше, нелинейный закон изменения д Р может оказаться предпочтительным. Наиболее простым решением этой задачи было бы воздействие на величину сопротивлений 36 и 37. Могут быть и более сложные цепи регулирования. В общем случае усилители могут обеспечить любой желательный закон передачи. В практических условиях для этого может быть подключено счетно-вычислительное устройство, управляющее положением органа дросселирования в зависимЬсти: от первой входной величины, образованной давлением в обводном трубопроводе; от второй входной величины, отражаквдей соотношение между расходом через обводной трубо-/ провод и 1производительностьюкомпрессора (эта вторая величина может быть выведена из ряда параметров двигателя). На фиг. 9 показан пример выполнения устройства, в котором орган дросселирова.ния выполнен в виде шибера 40, управлявмого контуром, в котором одной входной величиной служит давление Р , а второй расход воздуха Q через обводную трубу. Шибер расположен в ячейке трубы. Можно рассчитать профиль шибера и профиль ячейки таким образом, чтобы сечевие для прохода воздуха (з менялось в зависимости от смещения шибера, начиная от величины полного открытия, по закону: ,(р/е,) где йо и PJ, - константы. Такой закон iизменения облегчает управление, но обязательным не является. Потеря напора в таком устройстве в основном пропорциональна квадрату отношения массового расхода к проходному сечению и определяется выражением: (Я//0-Д-Р) где Я - является более или менее постоян ной величиной. Чувствительный к величине давления эле мент 41 смешает движок потенциометра 42, сопротивление которого вследствие пропорционально давлению Pg .- Информация о расходе поступает из трубки Пито 43 через чувствительный элемент 44. Разница между статическим и динамическим давлениями на выходе из трубки Пито определяет ся следующим выражением; 31О я-Kf где К - постоянная, Q - массовый расход, р - плотность воздуха. Капсула чувствительного элемента 44 управляет потенциометром 45, сопротивление которого вследствие этого пропорционально| отношению Q//О Потенциометры 42 и 45 установлены во входных контурах соответствующих рабочих усилителей 46 и 47, которые воздействуют, аналоговый мультипликатор 48. Реверсивный мотор 49 перемещает одновременно шибер 40 и движок потенциометра 50, установленного во входном контуре усилителя Выходные напряжения усилителя 51 и мультипликатора 48 через дифференциальный усилитель 52 поступают к мотору 49. Представленный на фиг. 9 электронный управления положением органа дросселиР° ««« позволяет обеспечить требуемый изменения потерн напора в зависимости Работы двигателя, т.е. в частном обводную труоу. Система привода может быть упрощена при наличии двух - или однозначной зависи-j мости между числом оборотов двигателя и давлением Pg , когда расход воздуха в трубе зависит только от Р2 . В этом случае положение шибера может определяться кон- туром, имеющим форму открытой петли, единственный входной параметр которой определяется давлением Р , Это относится, в частности , к работе двигателя с постоянной скоростью (дизель-генераторная станция) „ли в случае тягового двигателя (двигателя, У которого произведение момент на скорость изменяется) или к двигателю, соединенному с винтом или насосом постоянного шага. В качестве примера такой упрошенной схемы на фиг. 10 приведена электрическая схема регулирования для судовой установки. Состав электронного контура сводится здесь к чувствительному (Лементу 53, реа гируюшек у на измепение давления, воздействуюшему через усилитель 54 и привод 55 на положение органа дросселирования 6. Все рассмотренные варианты реализации предлагаемого те ического решения по еврей компоновке отличаются от известных и основаны на использовании перепада дав-.лений в качестве управляющего импульса и на разделении функций дросселирования и функций управления. 1157 В результате этого предлагаемое устройство повышает устойчивость регулирования режима работы цвигателя. Формула изобретения Устройство для наддува двигателя внутрен него сгорания, содержащее подключенный к воздушному ресиверу и выхлопному коллектору турб«жомпрессор, газоприемный и воздухо напорный патрубки которого сообщены между собой при помоши обводной трубы и ус гановлёнвого в нейуравновешенного органа дросселирова{ш подключенного к индикатору режима работы, отличающееся тем. что, с целью повышения устойчивости регулировакия режима работы, индикатор выполвен в вкпе датчика перепада давлений в органе оросселнрования. 2, Устройство по п. 1, отличающ в е с я тем, что датчик перепада давлений &ыпо1щер в виде подвижной стенки, размещ я в емкости между отсеками, подсоедан шым к участкам , отделенным одни fff крутого органом дросселирования, и соедсшюа с последним при помощи механизма ум ьшаввя сечения трубы при уменьшении переяаоа давленни, 3, Устройство по Ш1, 1-2, отличаю щееся тем, ЧТО один из отсеков емкости ц « ч, а 1с,«., п.« иная ш: uiv.cn.wt. .™л1л.и йоясоеяшев Е участку трубы, заключенному между органом дросселирования и воздухонапорвым патрубком, другой - к источнику эталонвсго давления, а к участку трубы, закпючекному между органом дросселирования и газопрнемным патрубком турбокомпрессора, подсоединен дополнительный отсек емкости, образованный То цовой. стенкой и прикреплевыым к подвижной сотенке диском увелвчевного .диаметра. 4, Устройство по пп. 1-, о т л и ч а б щ е е с я тем, что источник эталонного давления выполнен в виде канала, сообщенного с атмосферой. 3312 S, Устройство по пп. 1-3, отличающ е е с я тем, что источник эталонного давления выполнен в виде резервуара, сообщенного с атмосферой при помоши жиклера, снабженного подвижной иглой, а подсоединенный к нему отсек емкости дополнительно сообшен с обводной трубой при помощи жиклера постоянного сечения. б. Устройство по п. 5, о т л н ч а юш е е с я тем, что .подвижная игла кинематически соединена с датчиком давления в трубе, 7. Устройство по пп. 1- 6. о т л и ч а кк с я тем, что подвижная стенка ем««сти сопряжена с пружиной, сжатой при закрытом псшожении органа дросселирования. 8,Устройство по п. 7, о сличающ е в с я тем, что пружвда уерадс)йлвна на подв{1жной опоре, связанной с дополнительным датчиком давления в трубе. 9,Устройство по п. 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что механизм умеаьшення сечения трубы выполнен с гидравлическим усилителем импульса перемещения подвижУ ствнки, 10, Устройство по п, 1, о т л и ч а ющ е е с я тем, что датчиж перепада давлений выполнен в виде преобразователей давлония В элвктрические сигналы и соеди дросселирования при помоши электронного контуря управления его положением. 11, Устройство по п, 1О, о т л и ч а 1Фщ е е с я тем, что электронный контур управления выполнен с возможностью подклю- чёния к счетно-вычислительному устройству. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1,Патент США Ml 3676999, кл, 60-13, 1972. 2.Патент Швейцарии № 565940, кл. Г 02 В 37/00, 1975.

.

12

/ 1

Фиг.Г

-I

7/,

fPut.s

-В

Vut-S

r

1

,

/

TO) I

-V i

да

/

да

JT

-4