Комбинированный двигатель внуиреннего сгорания и способ его работы Советский патент 1979 года по МПК F02B37/04 

(54) КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ гателя (для упрощения часть газоприемного патрубка турбины, турбина и соединительный вал между ней и компрессором не . изображены); на фнг. 5 дан график изменения давлений. Двигатель 1 внутреннего сгорания содержит турбокомпрессор, состоящий из турбины 2 и компрессора 3, соединенных между собой при помощи вала 4. Газоприемный патрубок 5 турбины сообщен с выходом 6 дополнительной камеры 7 сгорания и с выхлопным коллектором 8 двигателя. Воздухонанорный патрубок 9 компрессора сообщен с входом 10 дополнительной камеры сгорания и с впускным ресивером 11 двигателя на входе, в который установлен дроссель переменного сечения в виде дроссельной заслонки 12, подключенной к управляющему устройству 13. Двигатель снабжен внускными 14 и выпускными 15 клапанами с приводом от механизма газораспределения (не показан), обеспечивающего перекрытие клапанов, охватывающее предпочтительно конец такта выхлопа и начало такта впуска для каждого цилиндра. Дополнительная камера сгорания оснащена системой 16 подачи топлива и перед ее воздушным входом установлен дроссель 17. Турбокомнрессор содержит пусковой привод 18. Двигатель также должен быть снабжен стартером. Подключенное к дроссельной заслонке управляющее устройство имеет подвижной поршень 19, перемещающийся в цилиндре 20 под действием пружины 21 и давления воздуха, распространяющегося из воздухонапорного патрубка по импульсному каналу 22, выполняющему функцию датчика давления. Для изменения силы давления, действующего на поршень, в поршне предусмотрено сквозное отверстие 23 малого диаметра. Усилие пружины суммируется с давлением воздуха в подпоршневой полости цилиндра, для чего эта полость сообщена с атмосферой через жиклер 24 переменного сечения, сечение которого меняетея в прямой зависимости от температуры воздуха на входе в компрессор по импульсу датчика 25 температуры, и через жиклер 26, сечение которого меняется в обратной 5 зависимости от оборотов двигателя по импульсу датчика 27 числа оборотов. С этой целью цилиндр 20 соединен с одной стороны с емкостью 28, в которой расположен жиклер 24, с которым взаимодействует игла 29, перемещаемая датчиком 25 температуры, выполненным в виде сильфона, а с другой стороны - с второй емкостью 30, снабженной жиклером 26, в котором перемещается игла 31. Управляющее устройство (фиг. 2) снабжено датчиком давления в ресивере 11 и реагирует на перепад давлений по обе стороны дроссельной заслонки, т. е. на перепад давлений между впуском и выхлопом, 65 и не реагирует на абсолютное значение давления РЗ воздуха в воздухонапорном патрубке компрессора. Управление дроссельной заслонкой 12 рассчитано на поддержание заданного перепада давлений по обе стороны заслонки до достижения заданного граничного значения давления РЗ, после чего дроссельная заслонка постепепно открывается. Заслонка приводится в движение сервомеханизмом 32. Этот механизм содержит поршень 33, перемещающийся в цилиндре 34 и подвергающийся воздействию противоположно направленных усилий пружины 35 и силы давления рабочей среды, заполняющей рабочую камеру 36 цилиндра через жиклер 37 постоянного сечения при помощи насоса 38 (например, шестеренчатого насоса, снабженного тарированным клапаном). Давление в рабочей камере 36 зависит от положения двух жиклеров 39 и 40 переменного сечения, позволяющих регулировать возврат рабочей среды в резервуар через трубопроводы 41 и 42. Проходное сечение жиклера 40 регулируется при помощи следящего органа 43, связанного с датчиками темнературы и давления наддува (импульсным каналом 22). Поршень 44 следящего органа скользит в цилиндре 45 и связан с иглой 46, изменяющей сечение жиклера 40. На этот поршень с одной стороны действует сила давления , создающегося в камере 47, сообщенной с воздухонапорным патрубком компрессора при помощи импульсного канала 22 и при помощи жиклера 48 с подпоршневой полостью, соединенной с жиклером 24, управляемым датчиком 25 температуры, а с другой стороны - усилие возвратной пружины 49 и давление PSO в камере 50, зависящее от соотношения сечений жиклеров 25 и 48 и от давления РЗ. Проходное сечение жиклера 39 определяется следящим органом 51. Игла 52 соединена с норшнем 53, перемещающимся в цилиндpg 54 под действием разности давлений Ре (давление на выходе из выхлопного коллектора двигателя) и суммарного усилия, состоящего из силы упругости пружины 55 и силы давления перед впускным клапаном двигателя. На фиг. 3 представлен вариант релейного управления дроссельной заслонкой. Для этого дроссельная заслонка приводится поршнем 56, перемещающимся в цилиндре 57 в сторону закрытия заслонки против действия возвратной пружины 58 за счет давления жидкости, развиваемого насосом 38, таким же, как и в варианте, представленном на фиг. 2. Между насосом и цилиндром установлен распределитель 59 с золотником 60, перемещающимся в цилиндре 61 под действием перепада давлений между полостями, ограниченными его торцами. Первая из этих полостей соединена с импульсным каналом (датчиком давления) , а вторая при помощи сквозного отверстия 23 связана с первой полостью и при помощи канала 62 с жиклером 24, управляемым датчиком 25 температуры. Золотник взаимодействует с пружиной 63 и снабжен проточкой, поочередно соединяющей подпоршневую полость цилиндра 57 либо с насосом 38, либо со сливной трубой 64. Дроссельная заслонка 12, размещенная на входе в ресивер двигателя, предназначена для того, чтобы при своем перекрытии создавать перепад давления воздуха по ходу его движения от компрессора в ресивер до такого уровня, что при запуске двигателя между давлением в выхлопном коллекторе 8 и давлением в ресивере 11 возникает разность давлений, обеспечивающая циклическое поступление продуктов сгорания дополнительной камеры сгорания 7 через рабочие цилиндры 65 двигателя в ресивер. При этом происходит подогрев стенок цилиндров, повыщается температура заряда, в результате чего обеспечиваются условия для воспламенения топлива при его впрыске. Управление положения дроссельной заслонкой для создания условий воспламенения топлива осуществляется при помощи управляющего устройства. Если объем выхлопного коллектора 8 и патрубков слищком велик, то газы, рециркулирующие за счет обратной продувки, будут поступать не из дополнительной камеры сгорания, а из соседних цилиндров 65, требуемый результат достигнут не будет и двигатель 1 может заглохнуть, всасывая вновь свои продукты сгорания. Для устранения этого недостатка целесообразно, как показано на фиг. 4, исключить выхлопной коллектор и объединить отдельные выхлопные патрубки цилиндров на стороне выпуска отработавших газов из дополнительной камеры сгорания, образовав общий резервуар. Более точно, объем газов, рециркулирующих за счет обратной продувки, должен превыщать объем выпускного патрубка каждого цилиндра для того, чтобы обеспечить попадание в цилиндр продуктов сгорания этой камеры. Перед запуском двигателя давление РЗ в воздухонапорном патрубке компрессора 9 равно нулю. Под действием пружины 21 подвижной порщень 19 смещен в крайнее правое положение., и дроссельная заслонка 12 перекрывает вход в ресивер. После того как при помощи пускового привода 18 приводят во вращение турбокомпрессорную группу и путем подачи топлива в дополнительную камеру 7 сгорания обеспечивают автономную работу этой группы, давление в выхлопном коллекторе 8 двигателя становится выше атмосферного, а в ресивере 11 двигате ля, перекрытом заслонкой, возникает разрежение. В период перекрытия впускных 14 и выпускных IE клапанов двигателя газы из выхода дополнительной камеры сгорания подсасываются в рабочие цилиндры 65 двигателя, обеспечивая подогрев стенок и увеличение температуры заряда. По мере увеличения давления РЗ и распространения этого давления по импульсному каналу 22 порщень 19 смещается влево, сжимая пружину, и проходное сечение, образуемое дроссельной заслонкой 12, увеличивается и достигает максимальной величины, начиная с некоторого граничного давления, которое достаточно для обеспечения условий воспламенения спрыскиваемого топлива в конце такта сжатия. Точка отбора давления для воздействия на порщень может быть расположена в любой точке воздущного тракта, поскольку значения давлений связаны между собой. Давление в подпоршневой полости цилиндоа 20, суммирующееся с усилием пружины 21 и противодействующее усилию давления РЗ, будет также возрастать, однако закон его изменения зависит от соотнощения между сечением сквозного отверстия 23 в порщне и сечением жиклера 24 переменного сечения. Так как сечение последнего зависит от положения иглы 29, связанной с датчиком 25 температуры, то степень открытия дроссельной заслонки 12 зависит от значения температуры окружающей среды. Чем ниже температура, тем меньще сечение жиклера, тем более должно быть давление РЗ для открытия заслонки. Кроме того, на давление в подпорщневой полости цилиндра 20 влияет сечение жиклера 26 с иглой 31. Чем выще число оборотов двигателя, тем больше сечение жиклера 26, тем больще открытие дроссельной заслонки 12. Таким образом, во впускном ресивере двигателя создается давление РИ, которое при запуске и при малых мощностях ниже давления в выхлопном коллекторе Р, обеспечивающее в, момент перекрытия клапанов в каждом цилиндре подсос газов из дополнительной камеры сгорания. После того как давление Р возрастет до заданного предельного значения, дроссельная заслонка 12 полностью открывается, и двигатель работает в обычном режиме. Это заданное предельное значение будет зависеть от температуры на входе в компрессор и от числа обооотов. Положение .дроссельной заслонки может быть дополнительно связано с разрежением лтежлу песивепом и выхлопным коллекTODOM (фиг. 2V Поршень 33, управляющий положением заслонки, перемещается под действием давления жидкости в подпорщневой полости цилиндра 34. Если зафиксировать следящ.ий орган 43, то проходное сечение, создаваемое заслонкой, будет зависеть от перрмеш.ений иглы 52, связанной с поршнем 53, положение, которого зависит т разности давлений в впускном ресивере ц и в выхлопном коллекторе PS. Поршень . аходится в равновесии, когда перепад давлений PS-РИ равен усилию пружины 55, деленному на площадь поршня. Если разрежение в ресивере слишком мало, т. е. давление РП слишком велико, то проходное сечение жиклера увеличивается, и давление в подпоршневой полости падает, что приводит к смещению поршня вниз и открытию заслонки. .Следящий оргаи 43 позволяет сменать рабочий диапазон следяniero органа 51. На поршень 44 следян1его органа 43 действуют противоположно направленные усилия, создаваемые на одном из его торцов давлением Р.7 и на втором- давлением Pso и усилием пружины 55. В этом варианте давлеиие Р равно давлению Рг, а .давление PSO выше атмосферного, но ниже давления Р/,7, так как нолоеть 50 сообщена с атмосферой через жиклер 24 п с воздухонапорным патрубком через жиклер 48. Перепад давлений Рдт-РВО по обе стороны поршня постепенно возрастает по мере Увеличения давления наддува, т. е. по мере увеличения MOLUHOCTH двигателя, поршень перемещается и увеличивает проходное сечение жиклера переменного сечения. При этом давление рабочей камеры 36 уменьшается и дроссельная заслонка поворачивается в сторону открытия. Тогда включается следящий орган 51 и обеспечивает необходимый перепад давлений PS-РИ до тех пор,.пока следящий орган 7 не станет на упор. После этого проходное сечение жиклера 40 увеличивается до тех пор, пока дроссельная заслонка 12 не будет открыта полностью. В этом случае заданное значение РЗ определяется давлением, при котором следяниш орган 51 станет на упор.

Заданное значение достигается тем быстрее, чем быстрее увеличивается проходгюо сечение жиклера 40, т. е. ниже давление в камере 50. Кроме того, это давление зависит от жиклера 24, проходное сечение которого связано с датчиком температуры.

На фиг. 5 показано изменение давлений Ра и Рбо и PS-РИ в функции давления наддува РЗ. Граничное зиачение, начиная с которого дроссельная заслонка не участвует в работе, обозначено через Ра.

Дополнительная камера сгорания установлена на ходу газов выше выхлопного коллектора, что обеспечивает попадание в цилиндры ее горячих продуктов сгорания.

Порядок запуска двигателя при любом из описанных выше вариантов одинаков. Пусковым приводом 18 запускают турбокомпрессорную группу и при помоши системы 16 подачи топлива - дополнительную камеру 7 сгорания, выполняющую функцию подогревателя рабочего тела до температуры, обеспечивающей автономную работу турбокомпрессор ной группы. Используя дроссельную заслонку 12, устанавливают минимальную величину проходного сече1 ия таким образом, что в момент запуска двигателя обеспечивается возврат продуктов сгорания из дополнительной камеры сгорания через цилиндры в ресивер в коли.честве, необходимом для запуска. Затем стартером запускают двигатель.

Скорость вращении турбокомпрессориой группы поддерживают выше определенного заданного значения, включая режим холостого хода и мя.пые нагрузки, и при помо-, иш дроссельной заслонки 12 создают упомянутый в.ыше перепад давлений, позволяюндий создать условия для воспламенения топлива.

Осяовкое преимущество изобретения состоит в ТОЛ1. что оно позволяет значительно (на 100-200%) снизить количество топлина, расходуемого для достижения турбокомпрессорной группой необходимого давления.

Форм ул.а изобретения

1. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания, содержащий турбокомпрессор с дополнительной камерой сгорания, сообщенной через газоприемный патр)бок

турбины с выходом дополнительной камеры сгорания и выхлопным коллектором двигателя, а через воздухонапорный патрубок компрессора с входом дополнительной камеры сгорания и впускным ресивером двигателя, механизм газораспределения с впускными и выпускными клапанами и дроссель переменного сечения, размещенный на входе в впускной ресивер двигателя и подключенный к управляющему устройству, отличающийся тем, что, с целью облегчения и ускорения запуска путем максимального использования внутренней энергии отработавших газов и продуктов сгорания из дополнительной камеры, управляющее з стройстпо снабжено датчиками давления воздуха в воздухонапорном патрубке, числа оборотов двигателя и температуры воздуха на входе в компрессор, а выход дополнительной камеры сгорания подключен к выхлопному коллектору.

2. Способ работы двигателя по п, 1 путем осуществления наддува от турбокомпрессора, изменения расхода воздуха через впускной ресивер при помощи дросселя переменного сечения и подачи в цилиндры двигателя отработавших газов из выхлопного коллектора и продуктов сгорания - из дополнительной камеры во время запуска двигателя, отличающийся тем, что,

в течение периода переключения клапанов создают разрежение во впускном ресивере при помощи дросселя переменного сечения

и подают продукты сгорания из дополнительной камеры и отработавшие газы - через выхлопной коллектор в цилиндры и в ресивер двигателя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США № 3775971, кл. 60-13, опубл. 1973.

23 2J

25

;7