способ настройки и регулирования давлений наддува двигателя внутреннего сгорания с приводным компрессором и системой для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ настройки и регулирования давлений наддува двигателя внутреннего сгорания с приводным компрессором, включающий регулирование давлений наддува дроссельным устройством, отличающийся тем, что настраивают и регулируют параметры наддува путем увеличения передаточного отношения приводного редуктора относительно исходной величины и дросселирования воздушного потока дроссельным устройством, установленным перед компрессором во всасывающем трубопроводе, при этом настройку системы наддува производят взаимным подбором увеличенного передаточного отношения приводного редуктора и площади проходного сечения дроссельного устройства, которые в процессе работы двигателя неизменны, при регулировании параметров наддува увеличенное передаточное отношение приводного редуктора постоянно в процессе работы двигателя, а площадь проходного сечения дроссельного устройства изменяют в зависимости от режимов работы двигателя.

2. Система настройки и регулирования давлений наддува двигателя внутреннего сгорания с приводным компрессором, включающая в себя двигатель внутреннего сгорания, приводной редуктор, воздухонагнетающий компрессор, дроссельное устройство, отличающаяся тем, что приводной редуктор имеет повышенное передаточное отношение относительно его исходной величины, а дроссельное устройство установлено перед компрессором во всасывающем трубопроводе для дросселирования низконапорного воздушного потока, при этом увеличивается давление наддува на режиме максимального крутящего момента и снижается давление наддува на режимах частичных нагрузок.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что при настройке системы наддува дроссельное устройство имеет постоянную площадь проходного сечения, а при регулировании давлений наддува имеет регулируемую площадь проходного сечения, что позволяет изменять давления наддува по скоростным и нагрузочным характеристикам.

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

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к способу настройки и регулирования давлений наддува двигателя внутреннего сгорания с приводным компрессором и системе для его осуществления и могут быть использованы в двигателестроении.

Известны способы регулирования параметров наддува и системы для их осуществления, применяемые для двигателей внутреннего сгорания оснащенных объемными или центробежными компрессорами с механическим приводом от коленчатого вала двигателя (Авиационные двигатели. Конструкция и расчет деталей. Под редакцией А.Е.Заикина. Государственное издательство оборонной промышленности. М., 1941). Способы и системы регулирования параметров наддува двигателей внутреннего сгорания позволяют повысить приспособляемость двигателя по крутящему моменту путем повышения давления наддува, цикловой подачи топлива и эффективной мощности на режиме максимального крутящего момента.

Для регулирования давлений наддува применяются приводные редукторы с изменяющимися в процессе работы передаточными отношениями или специальные муфты, отключающие приводной компрессор на режимах малых нагрузок и холостого хода, что уменьшает мощности на привод компрессора, повышает эффективность рабочих процессов и улучшает экономичность работы двигателя. Но данные системы регулирования не находят широкого применения, так как являются сложными, дорогими и недостаточно надежными.

Известен способ регулирования давлений наддува двигателей внутреннего сгорания и система для его осуществления (авторское свидетельство СССР №1343066 от 08.05.1986, МПК-4 F02D 23/00, F02B 37/00), выбранные заявителем в качестве прототипа способа и системы.

Способ регулирования давлений наддува двигателей внутреннего сгорания включает регулирование давлений наддува дроссельной заслонкой, установленной после приводного воздухонагнетающего компрессора в нагнетательном коллекторе.

Система регулирования давлений наддува двигателей внутреннего сгорания содержит двигатель внутреннего сгорания, воздухонагнетающий компрессор, дифференциальный редуктор привода компрессора от коленчатого вала двигателя, дроссельную заслонку, установленную после компрессора в воздухонапорном патрубке, перепускной воздушный трубопровод с пружинным клапаном, пневмоцилиндр с жиклером и подпружиненным поршнем. На режимах частичных нагрузок дроссельная заслонка перекрывает часть сечения воздухонапорного патрубка, что снижает расходы воздуха, давления наддува и частоты вращения приводного компрессора. При этом дифференциальный приводной редуктор перераспределяет крутящие моменты и предотвращает резкое увеличение частоты вращения выходного вала силовой установки. На режимах малых нагрузок воздухонапорный патрубок перекрывается полностью и приводной компрессор отключается. Питание двигателя воздухом осуществляется по перепускному трубопроводу.

Прототипу присущи следующие недостатки:

- сложность и громоздкость конструкции;

- ненадежность в работе;

- высокая стоимость изготовления;

- высокая инерционность переходных процессов.

Техническим результатом предлагаемых изобретений является устранение указанных недостатков прототипа, а именно:

- упрощение настройки и регулирования;

- упрощение конструкции;

- повышение компактности;

- повышение надежности;

- снижение стоимости изготовления;

- снижение инерционности переходных процессов.

Целью изобретений является:

- повышение приспособляемости двигателя по крутящему моменту за счет увеличения давления наддува и эффективной мощности двигателя на режиме максимального крутящего момента при обеспечении требуемых параметров наддува и мощностных показателей двигателя на режиме максимальной мощности;

- снижение давлений наддува на режимах частичных нагрузок, что улучшает экономичность работы двигателя за счет оптимизации коэффициента избытка воздуха и уменьшения мощности на привод компрессора;

Технический результат изобретений направлен на устранение указанных недостатков прототипа и достигается следующими решениями, объединенными общим изобретательским замыслом.

В способе настройки и регулирования давлений наддува двигателя внутреннего сгорания с приводным компрессором, включающем регулирование давлений наддува дроссельным устройством, согласно первому изобретению, настраивают и регулируют параметры наддува путем увеличения передаточного отношения приводного редуктора относительно исходной величины и дросселирования воздушного потока дроссельным устройством, установленным перед компрессором во всасывающем трубопроводе, при этом настройку системы наддува проводят взаимным подбором увеличенного передаточного отношения приводного редуктора и площади проходного сечения дроссельного устройства, которые в процессе работы двигателя неизменны, при регулировании параметров наддува увеличенное передаточное отношение приводного редуктора постоянно в процессе работы двигателя, а площадь проходного сечения дроссельного устройства изменяют в зависимости от режимов работы двигателя.

В системе настройки и регулирования давлений наддува двигателя внутреннего сгорания с приводным компрессором, включающей в себя двигатель внутреннего сгорания, приводной редуктор, воздухонагнетающий компрессор, дроссельное устройство, согласно второму изобретению, приводной редуктор имеет повышенное передаточные отношение относительно его исходной величины, а дроссельное устройство установлено перед компрессором во всасывающем трубопроводе для дросселирования низконапорного воздушного потока, при этом увеличивается давление наддува на режиме максимального крутящего момента и снижаются давления наддува на режимах частичных нагрузок.

В результате одновременного воздействия двух факторов, а именно увеличения передаточного отношения приводного редуктора относительно исходной величины и дросселирования воздушного потока дроссельным устройством, установленным перед компрессором во всасывающем трубопроводе, давление наддува повышается на режиме максимального крутящего момента, поддерживается равным исходному на режиме максимальной мощности и снижается на режимах частичных нагрузок.

В качестве исходного варианта принимается одна из модификаций двигателя, на котором планируется применение системы настройки и регулирования давлений наддува. Конструктивные и режимные параметры этого двигателя, соответствующие техническим условиям на производство, принимаются в качестве исходных. Анализ результативности применения системы настройки и регулирования давлений наддува проводится сравнением измененных конструктивных и режимных параметров двигателя с аналогичными исходными величинами.

Для привода компрессора от коленчатого вала двигателя используется один или многоступенчатый редуктор с внешним или внутренним зацеплением шестерен и постоянной величиной передаточного отношения.

При настройке системы наддува увеличивается передаточное отношение приводного редуктора относительно исходного варианта. Это проводится установкой в редукторе других шестерен с увеличенной разностью диаметров ведущих и ведомых шестерен. Перед компрессором во всасывающем трубопроводе устанавливается дроссельное устройство с постоянной площадью проходного сечения.

Это может быть дроссельная диафрагма (шайба) или набор из нескольких диафрагм, или дроссельная решетка, или другие дросселирующие конструктивные элементы.

Настройка системы осуществляется взаимным подбором площади проходного сечения дроссельного устройства и увеличенным передаточным отношением приводного редуктора. Невозможно однозначно определить взаимное соотношение этих двух параметров. Их конкретные величины зависят от множества конструктивных и режимных факторов: размерности двигателя и компрессора, уровня форсированности и оборотности двигателя, желаемой приспособляемости двигателя по крутящему моменту, топливной экономичности и множества других. Поэтому выбор передаточного отношения приводного редуктора и площади проходного сечения дроссельного устройства будет проводиться в зависимости от конкретных задач, решаемых при применении данного способа и системы настройки давлений наддува. Настройка системы позволяет воздействовать на давления наддува при работе двигателя по скоростным характеристикам.

При регулировании давлений наддува увеличивают передаточное отношение приводного редуктора относительно исходного варианта, которое в процессе регулирования остается постоянным. Перед компрессором во всасывающем трубопроводе устанавливают 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 дросселирующие устройства. Для управления площадью проходного сечения дроссельного устройства система содержит дополнительный блок управления.

Повышенное передаточное отношение приводного редуктора относительно его исходной величины и установка дроссельного устройства перед компрессором во всасывающем трубопроводе позволяют повысить давление наддува на режиме максимального крутящего момента и снизить давления наддува на режимах частичных нагрузок, что позволяет повысить приспособляемость двигателя по крутящему моменту, снизить мощности на привод компрессора и расходы топлива на режимах частичных нагрузок.

Система позволяет осуществлять регулирование давлений наддува при работе двигателя по скоростным и нагрузочным характеристикам.

На фиг.1 показана схема системы наддува двигателя с приводным компрессором, предназначенная для настройки и регулирования давлений наддува.

На фиг.2 показана графическая зависимость давлений наддува от частоты вращения коленчатого вала двигателя при работе системы.

Предлагаемый способ настройки и регулирования давлений наддува двигателя внутреннего сгорания с приводным компрессором включает настройку и регулирование параметров наддува путем увеличения исходной величины передаточного отношения приводного редуктора и дросселирования воздушного потока дроссельным устройством, установленным перед компрессором во всасывающем трубопроводе. Настройку системы наддува проводят взаимным подбором увеличенного передаточного отношения приводного редуктора и площади проходного сечения дроссельного устройства, которые в процессе работы двигателя оставляют неизменными. При регулировании параметров наддува увеличенное передаточное отношение приводного редуктора оставляют постоянным, а площадь проходного сечения дроссельного устройства изменяют в зависимости от режимов работы двигателя.

Система включает в себя двигатель внутреннего сгорания 1, приводной редуктор (мультипликатор) 2, объемный или центробежный воздухонагнетающий компрессор 3, дроссельное устройство 4 с постоянной или регулируемой площадью проходного сечения, блок управления 5, регулирующий площадь проходного сечения дроссельного устройства (фиг.1).

Способ осуществляется, а система работает следующим образом.

Крутящий момент от коленчатого вала двигателя 1 через одно или многоступенчатый приводной редуктор 2 передается на воздухонагнетающий компрессор 3, перед которым расположено дроссельное устройство 4. Блок управления 5 формирует и выдает сигналы на изменение площади проходного сечения дроссельного устройства 4 в зависимости от мощностных и скоростных режимов работы двигателя и желаемых величин давлений наддува. При настройке системы наддува, когда используется дроссельное устройство 4 с постоянной площадью проходного сечения, блок управления 5 не применяется. Поскольку, конструкция блока управления 5 не является объектом данного изобретения, то она не рассматривается в данном описании.

Сущность настройки системы наддува с приводным компрессором показана на фиг.2. Точка М соответствует частоте вращения двигателя на режиме максимального крутящего момента, а точка N - максимальной мощности. Линия 6 показывает исходную зависимость давлений наддува от частоты вращения двигателя 1 с приводным компрессором 3. Линия 7 соответствует только дросселированию воздушного потока перед компрессором 3, линия 8 - только повышению передаточного отношения приводного редуктора 2. Линия 9 соответствует дросселированию воздушного потока при увеличении относительно исходной величины передаточного отношения приводного редуктора.

Дроссельное устройство 4, обладая гидравлическим сопротивлением, создает разряжение воздушного потока на входе в компрессор 3. Чем больше разряжение, тем меньше давление наддува на данном скоростном режиме.

На режиме максимального крутящего момента расход воздуха, скорость воздушного потока и разряжение на входе в компрессор 3 незначительные. Дроссельное устройство 4 слабо влияет на параметры воздушного потока, и поэтому не происходит падения давления наддува относительно исходной зависимости. По мере увеличения частот вращения двигателя 1 и воздухонагнетающего компрессора 3, растут расходы воздуха, скорости воздушного потока и разряжения на входе в компрессор. В результате давления наддува снижаются относительно исходной зависимости. Максимальная разница давлений наддува будет на режиме максимальной мощности (точка N), где расход воздуха достигает максимальной величины (линии 6 и 7). Чем меньше площадь проходного сечения дроссельного устройства 4, тем более пологой становится зависимость давления наддува от частоты вращения двигателя 1.

При увеличении передаточного отношения приводного редуктора 2 растут частоты вращения компрессора 3 и давления наддува на всех скоростных режимах работы двигателя 1 (линия 8). Увеличение давления наддува на режиме максимального крутящего момента является желательным, но на режиме максимальной мощности оно становится слишком высоким. Избыточное давление наддува и расход воздуха ухудшают протекание рабочего процесса двигателя 1 и чрезмерно повышают механические нагрузки на конструктивные элементы силовой установки.

Следовательно, увеличение передаточного отношения приводного редуктора 2 вызывает рост давлений наддува на всех скоростных режимах, а дросселирование воздушного потока сдерживает рост давлений наддува с все возрастающей интенсивностью по мере увеличения частоты вращения двигателя 1.

При одновременном увеличении передаточного отношения приводного редуктора 2 и дросселировании воздушного потока давление наддува на режиме максимального крутящего момента возрастает, так как при небольших расходах воздуха гидравлическое сопротивление дроссельного устройства 4 незначительное и на параметры наддува основное влияние оказывает рост передаточного отношения приводного редуктора 2. По мере увеличения частоты вращения двигателя 1 растут расходы воздуха, скорости воздушного потока и разряжения перед компрессором 3, что сдерживает нарастание давления наддува. Взаимный подбор величины передаточного отношения приводного редуктора 2 и площади проходного сечения дроссельного устройства 4 позволит добиться увеличения давления наддува на режиме максимального крутящего момента и равенства давлений наддува на режиме максимальной мощности для настроенной и исходной системы наддува (линия 9).

Для регулирования давлений наддува перед компрессором 3, во всасывающем трубопроводе, устанавливается дроссельное устройство 4 с регулируемой площадью проходного сечения. У приводного редуктора 2 передаточное отношение увеличивается относительно исходной величины. В результате повышается давление наддува на режиме максимального крутящего момента. На этом режиме площадь проходного сечения дроссельного устройства 4 будет максимальной, что исключает влияние дросселя на параметры наддува. По мере увеличения частоты вращения двигателя 1 площадь проходного сечения дроссельного устройства 4 уменьшается, что сдерживает нарастание давления наддува. На режиме максимальной мощности площадь проходного сечения дроссельного устройства 4 уменьшается до величины, обеспечивающей давление наддува, равное исходному варианту. Рост давления наддува на режиме максимального крутящего момента позволяет увеличить цикловую подачу топлива при обеспечении минимально допустимого значения коэффициента избытка воздуха. При этом мощность и максимальный крутящий момент двигателя увеличатся. На режиме максимальной мощности параметры наддува и мощностные показатели будут равны аналогичным показателям исходного варианта. Следовательно, произойдет увеличение приспособляемости двигателя по крутящему моменту.

Предлагаемая система позволяет регулировать давления наддува на режимах частичных нагрузок. При снижении мощности двигателя площадь проходного сечения дроссельного устройства уменьшается. Снижение давления наддува и расхода воздуха при уменьшении цикловой подачи топлива сдерживает чрезмерный рост коэффициента избытка воздуха на режимах частичных нагрузок, что положительно влияет на эффективность протекания рабочих процессов двигателя. Уменьшение расхода воздуха снижает мощность, необходимую на привод компрессора, что улучшает экономичность работы двигателя.

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

- простоту, компактность и надежность конструкции;

- повышение приспособляемости по крутящему моменту двигателя с приводным компрессором;

- автоматическое изменение давлений наддува по скоростным характеристикам в случае настройки системы;

- возможность бесступенчатого регулирования давлений наддува в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов;

- возможность применения системы, как для дизельных двигателей, так и для двигателей с принудительным зажиганием, работающих на жидком или газообразном топливе, за исключением двигателей, оснащенных карбюраторами.