система настройки и регулирования давлений наддува двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом

Формула изобретения

1. Система настройки и регулирования давлений наддува двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, включающая в себя двигатель внутреннего сгорания, воздухонагнетающий компрессор, сопловой аппарат турбины, рабочее колесо турбины, отличающаяся тем, что содержит дроссельное устройство, установленное перед компрессором во всасывающем трубопроводе, и осуществляет дросселирование одновременно потока воздуха перед компрессором дроссельным устройством и потока отработавших газов перед рабочим колесом турбины сопловым аппаратом турбины с уменьшенной площадью проходного сечения относительно исходной площади проходного сечения, при этом увеличивается давление наддува на режиме максимального крутящего момента.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что при настройке давлений наддува дроссельное устройство имеет постоянную площадь проходного сечения, а при регулировании давлений наддува имеет регулируемую площадь проходного сечения.

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при наличии регулируемого дроссельного устройства содержит дополнительно блок управления площадью проходного сечения дроссельного устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам настройки и регулирования параметров наддува двигателей внутреннего сгорания со свободным турбокомпрессором и может быть использовано в двигателестроении.

Известны системы регулирования параметров наддува двигателей внутреннего сгорания, позволяющие увеличить давление наддува и расход воздуха на режиме максимального крутящего момента при обеспечении давления наддува на режиме максимальной мощности не более допустимой величины. Улучшение воздухоснабжения и соответствующее увеличение цикловой подачи топлива и мощности на режиме максимального крутящего момента повышают приспособляемость двигателя по крутящему моменту (Фаин М.А. Анализ перспектив развития систем регулирования наддува дизелей с использованием описаний к патентам на изобретения. // Двигателестроение, 1981, № 2, с.36-38). Регулирование заключается в перепуске, либо частичном выпуске сжатого компрессором воздуха или отработавших газов, в регулировании сечений проточной части турбины или компрессора, в подключении дополнительного нагнетателя или дополнительной камеры сгорания, в дросселировании потока воздуха на впуске или отработаших газов на выпуске. Данные системы существенно усложняют конструкцию двигателя, т.к. требуют применения дополнительных трубопроводов, клапанов, датчиков, агрегатов наддува, камер сгорания и других конструктивных элементов.

Известна система регулирования давления наддува двигателя внутреннего сгорания (патент Великобритания № 1557388 от 12.12.1979, МПК F 02 D 23/00, F 02 B 33/44), содержащая в трубопроводе нагнетания воздуха регулирующее устройство с 4-х позиционным клапаном, который позволяет направлять весь сжатый воздух в двигатель либо часть потока воздуха на вход в турбину или за турбину. Применение многопозиционного клапана с системой управления требует наличия дополнительных трубопроводов для перепуска сжатого воздуха, что усложняет конструкцию и увеличивает габариты двигателя. При потере части сжатого в компрессоре воздуха усложняет конструкцию и увеличивает габариты двигателя. При потере части сжатого в компрессоре воздуха, направляемого за турбину, снижается эффективность работы всей силовой установки.

Изобретение решает задачу устранения указанных недостатков за счет уменьшения числа конструктивных элементов, используемых при настройке и регулировании параметров наддува.

Целью изобретения является повышение приспособляемости двигателя по крутящему моменту за счет увеличения давления наддува, расхода воздуха через двигатель, цикловой подачи топлива и мощности на режиме максимального крутящего момента при обеспечении требуемых параметров наддува и мощностных показателей на режиме максимальной мощности.

Указанная цель достигается тем, что система настройки и регулирования давлений наддува двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, включающая в себя двигатель внутреннего сгорания, воздухонагнетающий компрессор, сопловой аппарат турбины, рабочее колесо турбины, согласно изобретению содержит дроссельное устройство, установленное перед компрессором во всасывающем трубопроводе и осуществляет дросселирование одновременно потока воздуха перед компрессором дроссельным устройством и потока отработавших газов перед рабочим колесом турбины сопловым аппаратом турбины с уменьшенной площадью проходного сечения относительно исходной площади проходного сечения, при этом увеличивается давление наддува на режиме максимального крутящего момента. При настройке давлений наддува дроссельное устройство имеет постоянную площадь проходного сечения, а при регулировании давлений наддува имеет регулируемую площадь проходного сечения. При наличии регулируемого дроссельного устройства содержит дополнительно блок управления площадью проходного сечения дроссельного устройства.

При настройке давлений наддува перед компрессором, во всасывающем трубопроводе, устанавливается дроссельное устройство с постоянной площадью проходного сечения. Это может быть диафрагма (шайба) или набор из нескольких диафрагм, или дроссельная решетка, или другие дросселирующие конструктивные элементы. Дросселирование выхлопных газов выполняется путем уменьшения площади проходного сечения соплового аппарата турбины. Настройка системы газотурбинного наддува осуществляется взаимным подбором площадей проходных сечений дроссельного устройства и соплового аппарата турбины.

При регулировании давлений наддува перед компрессором устанавливается дроссельное устройство с регулируемой площадью проходного сечения. В качестве такого устройства может быть применена дроссельная заслонка или шиберная заслонка, или диафрагма с переменным проходным сечением, или другие устройства. Дросселирование отработавших газов выполняется сопловым аппаратом турбины, проходное сечение которого уменьшается и в процессе регулирования остается постоянным.

На фиг.1 показана схема системы газотурбинного наддува, предназначенная для настройки и регулирования давлений наддува.

Система включает в себя двигатель внутреннего сгорания 1, воздухонагнетающий компрессор 2, сопловой аппарат 3 турбины, рабочее колесо 4 турбины, дроссельное устройство 5 с регулируемой или постоянной площадью проходного сечения, блок управления 6, регулирующий площадь проходного сечения дроссельного устройства.

Система работает следующим образом: выходящие из двигателя внутреннего сгорания 1 отработавшие газы через сопловой аппарат 3 турбины поступают на рабочее колесо 4 турбины, заставляя его вращаться. Крутящий момент от турбины через вал ротора турбокомпрессора передается на компрессор 2, перед которым расположено дроссельное устройство 5. Блок управления 6 формирует и выдает сигналы на изменение площади проходного сечения дроссельного устройства 5 в зависимости от режимов работы двигателя и желаемых величин давлений наддува. При настройке системы газотурбинного наддува, когда используется дроссельное устройство с постоянной площадью проходного сечения, блок управления 6 не применяется.

Поскольку конструкция блока управления 6 не является объектом данного изобретения, то она подробно не рассматривается в описании.

Сущность настройки системы газотурбинного наддува показана на фиг.2. Точка М соответствует частоте вращения двигателя на режиме максимального крутящего момента, а точка N - максимальной мощности. Линия 7 показывает исходную зависимость давления наддува от частоты вращения двигателя при газотурбинном наддуве. Линия 8 соответствует дросселированию только воздушного потока перед компрессором, линия 9 - дросселированию только потока отработавших газов, линия 10 - дросселированию одновременно воздушного потока и потока отработавших газов.

При дросселировании воздушного потока увеличение частоты вращения двигателя 1 приводит к росту расхода воздуха, скорости потока воздуха во всасывающем трубопроводе, гидравлического сопротивления дроссельного устройства 5 и увеличению разрежения воздушного потока на входе в компрессор 2. Чем больше разрежение перед компрессором 2, тем меньше величина давления наддува на данном скоростном режиме.

На режиме максимального крутящего момента скорость воздушного потока незначительная и гидравлическое сопротивление дроссельного устройства 5 слабо влияет на параметры потока. Поэтому не происходит падение давления наддува относительно исходной зависимости. По мере увеличения частоты вращения двигателя 1 и расхода воздуха гидравлическое сопротивление дроссельного устройства 5 возрастает, что снижает давления наддува (линия 8) относительно исходной зависимости (линия 7). Максимальная разница давлений наддува будет на режиме максимальной мощности. Чем меньше площадь проходного сечения дроссельного устройства 5, тем более пологой становится зависимость давления наддува от частоты вращения двигателя.

При дросселировании потока отработавших газов уменьшение площади проходного сечения соплового аппарата 3 турбины относительно исходной вызывает увеличение частот вращения ротора турбокомпрессора и давлений наддува во всем диапазоне скоростных режимов работы двигателя (линия 9). Увеличение давления наддува на режиме максимального крутящего момента является желательным, но на режиме максимальной мощности оно становится слишком высоким, что недопустимо по условиям механической прочности турбокомпрессора и двигателя.

Следовательно, досселирование потока отработавших газов вызывает рост давлений наддува по всей скоростной характеристике, а дросселирование воздушного потока сдерживает рост давлений наддува с все возрастающей интенсивностью по мере увеличения частоты вращения двигателя.

При дросселировании одновременно потока отработавших газов и воздушного потока на режиме максимального крутящего момента давление наддува возрастает, т.к. сопротивление дроссельного устройства 5 незначительное, а основное влияние на параметры наддува оказывает сопловой аппарат 3 с уменьшенной площадью проходного сечения. По мере увеличения частоты вращения двигателя 1, расхода воздуха и скорости воздушного потока, дроссельное устройство 5 создает все большее разрежение на входе в компрессор, что сдерживает нарастание давлений наддува по скоростной характеристике. Взаимный подбор площадей проходных сечений соплового аппарата 3 и дроссельного устройства 5 позволяет добиться равенства давлений наддува на режиме максимальной мощности для настроенной и исходной системы (линия 10).

При регулировании давлений наддува перед компрессором 2, во всасывающем трубопроводе, устанавливается дроссельное устройство 5 с регулируемой площадью проходного сечения. Дросселирование потока отработавших газов выполняется путем уменьшения относительно исходного варианта площади проходного сечения соплового аппарата 3 турбины, которая в процессе регулирования остается неизменной.

Дросселирование потока отработавших газов приводит к росту давления наддува на режиме максимального крутящего момента. При этом проходное сечение дроссельного устройства 5 будет максимальным, что исключает его влияние на воздушный поток и параметры наддува. По мере увеличения частоты вращения двигателя 1 проходное сечение дроссельного устройства 5 уменьшается, разрежение на входе в компрессор растет, что сдерживает нарастание давлений наддува. На режиме максимальной мощности площадь проходного сечения дроссельного устройства 5 будет минимальной, обеспечивающей максимально допустимую величину давления наддува.

Рост давления наддува и расхода воздуха на режиме максимального крутящего момента позволяют увеличить цикловую подачу топлива до величины, обеспечивающей допустимые значения коэффициента избытка воздуха или температуры отработавших газов. При этом мощность и максимальный крутящий момент двигателя увеличиваются. На режиме максимальной мощности давление наддува, цикловая подача топлива, мощность и крутящий момент сохраняются равными аналогичным параметрам исходного варианта. Рост величины максимального крутящего момента повышает приспособляемость двигателя по крутящему моменту.

Предлагаемая система позволяет регулировать давления наддува при работе двигателя по нагрузочным характеристикам. По мере уменьшения мощности двигателя площадь проходного сечения дроссельного устройства 5 также уменьшается. Одновременное снижение цикловых подач топлива, давлений наддува и расходов воздуха через двигатель, сдерживает рост коэффициентов избытка воздуха на режимах средних и малых нагрузок, что положительно влияет на эффективность рабочих процессов.

Таким образом, система настройки и регулирования давлений наддува согласно изобретению обеспечивает:

простоту, компактность и надежность конструкции;

повышение приспособляемости двигателя с газотурбинным наддувом по крутящему моменту;

настройку системы газотурбинного наддува с помощью конструктивных элементов, не имеющих подвижных деталей;

автоматическое изменение давлений наддува по скоростной характеристике в случае настройки системы;

возможность регулирования давлений наддува в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов с целью получения желаемых параметров: мощностей и крутящих моментов, экономичностей, коэффициентов избытка воздуха, тепловых и механических напряженностей и других;

возможность применения системы настройки и регулирования давлений наддува как для дизельных двигателей, так и для двигателей с впрыском легкого топлива.