Дизель с турбонаддувом

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к дизелям с турбонаддувом автотранспортного назначения. Целью изобретения является повышение экономичности за счет улучшения динамических характеристик. Дизель с турбонаддувом содержит систему газотурбинного наддува, систему жидкостного охлаждения и систему регулирования воздухоснабжения. Дизель имеет впускной коллектор 3 и выхлопной коллектор 4. Система газотурбинного наддува включает турбокомпрессор 5 с турбиной 6 и компрессором 7. Турбина 6 газовой магистралью 8 подключена к выхлопному коллектору 4, а компрессор 7 - воздушной магистралью 9 к впускному коллектору 3. Система жидкостного охлаждения содержит водяной насос 10, основной контур 11 гидросистемы и дополнительную ветвь 14, в которой установлена гидротурбина 15 системы регулирования воздухоснабжения. Гидротурбина 15 через отключаемую муфту 17 связана с компрессором 7. Мембранное перепускное устройство 18 имеет два запорных органа 23 и 24, служащих для переключения расхода охлаждающей жидкости с основного контура 11 на дополнительную ветвь 14, и наоборот. Использование дизеля с турбонаддувом по сравнению с прототипом позволяет сократить среднеэксплуатационный расход топлива на 3...5% и сократить продолжительность параходного наброса процесса нагрузки на дизель с 3,4 до 2,4 с. 7 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к дизелям с турбонаддувом автотранспоpтного назначения.

Известен дизель с турбонаддувом, содержащий баллон со сжатым воздухом, сообщенный воздушной магистралью с впускным коллектором дизеля, мембранный клапан, установленный в воздушной магистрали, и регулирующее устройство, управляющее работой мембранного клапана (Крутов В.И. Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания. М. Машиностроение, 1989. - 416 с., с.178, рис. 7.6). При увеличении нагрузки одновременно с увеличением цикловой подачи топлива открывается мембранный клапан для дополнительной подачи воздуха в цилиндры двигателя, причем время работы клапана тем больше, чем больше новая нагрузка.

Недостатком описанного дизеля с турбонаддувом является необходимость оборудования двигателя баллоном сжатого воздуха, требующим периодической подкачки.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату к предлагаемому дизелю с турбонаддувом является дизель с турбонаддувом, содержащий турбокомпрессор, подключенный газовой магистралью к выхлопному коллектору дизеля и воздушной магистралью к впускному коллектору, и систему жидкостного охлаждения (Под ред. Дьяченко Н.Х. Теория двигателей внутреннего сгорания. Л.: Машиностроение, 1974, 552 с., с. 200, рис. 11.4.).

Недостатком описанного дизеля с турбонаддувом является то, что при работе дизеля на неустановившихся режимах возникает рассогласование подач топлива и воздуха вследствие инерционности системы газотурбинного наддува. Это приводит к неполному сгоранию топлива на этих режимах, снижению экономичности и ухудшению динамических характеристик двигателя.

Целью изобретения является повышение экономичности и улучшение динамических характеристик.

Указанная цель достигается тем, что дизель с турбонаддувом, содержащий турбокомпрессор, подключенный газовой магистралью к выхлопному коллектору дизеля и воздушной магистралью к впускному коллектору, и систему жидкостного охлаждения, снабжен дополнительной ветвью системы охлаждения, параллельно основному контуру, дополнительно установленной в ветви гидротурбиной, отключаемой муфтой и мембранным перепускным устройством, при этом муфта подключена к компрессору турбокомпрессора и валу гидротурбины, а перепускное устройство выполнено с глухой мембранной полостью, подключенной к воздушной магистрали, и со штоком, снабженным двумя запорными органами для открытия либо прекрытия соответственно дополнительной ветви или основного контура системы охлаждения.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого дизеля с турбонаддувом; на фиг.2 - схема отключаемой муфты; на фиг.3 - поле возможных режимов работы дизеля Д6Н; на фиг.4 - графики изменения параметров дизеля Д6Н во времени при набросе полной нагрузки на дизель; на фиг.5 - распределение по времени режимов работы комбайнового дизеля СМД-31 при полевых работах; на фиг.6 - зависимость расхода охлаждающей жидкости через дизель Д6Н от частоты вращения коленчатого вала; на фиг.7 - плотность распределения значений частоты вращения двигателя и положения рейки топливного насоса при работе автомобильного дизеля КамАЗ-740 в условиях городского движения автомобиля.

Дизель с турбонаддувом (фиг. 1) содержит собственно дизель, систему газотурбинного наддува, систему жидкостного охлаждения и систему регулирования воздухоснабжения.

Собственно дизель имеет блок цилиндров 1, головку блока 2, впускной коллектор 3 и выхлопной коллектор 4.

Система газотурбинного наддува включает турбокомпрессор 5 с турбиной 6 и компрессором 7. Турбина 6 газовой магистралью 8 подключена к выхлопному коллектору 4. Компрессор 7 воздушной магистралью 9 подключен к впускному коллектору 3.

Система жидкостного охлаждения содержит установленный на блоке цилиндров 1 водяной насос 10, соединенный через повышающую передачу с коленчатым валом дизеля и обеспечивающий прокачку охлаждающей воды через рубашку дизеля, основной контур 11 гидросистемы, соединяющий рубашку дизеля с водяным радиатором 12, охлаждаемым при помощи вентилятора 13, и дополнительную ветвь 14.

Система регулирования воздухоснабжения включает гидротурбину 15 с валом 16, установленную в дополнительной ветви 14 системы охлаждения и связанную через отключаемую муфту 17 с компрессором 7, и мембранное перепускное устройство 18, выполненное с полостью 19, подключенной к воздушной магистрали 9 и имеющей мембрану 20 с пружиной 21. Мембрана 20 жестко соединена со штоком 22, снабженным двумя запорными органами 23 и 24. Запорный орган 23 служит для открытия или перекрытия дополнительной ветви 14 системы охлаждения, а запорный орган 24 - для открытия или перекрытия основного контура 11 системы охлаждения.

Отключаемая муфта 17 (фиг.1, 2) имеет полость 25, образованную контуром 26 муфты и размещенным в корпусе пружинным диском 27 и связанную сверлением 28 в компрессоре 7 с воздушной магистралью 9. Полость 25 герметизирована при помощи уплотнительных колец 29 и 30. Прижимной диск 27 подпружинен пружиной 31 к фрикционному диску 32, опирающемуся на корпус 26 муфты и жестко соединенному с валом 16 гидротурбины 15.

Дизель с турбонаддувом (фиг.1) работает следующим образом.

В процессе работы двигателя с турбонаддувом отработавшие газы через выпускные клапана цилиндров поступают в выхлопной коллектор 4, откуда по газовой магистрали 8 направляются в газовую турбину 6 (расход G_т). В турбине газы совершают работу на лопатках рабочего колеса и приводят его во вращение. В свою очередь рабочее колесо турбины, механически связанное с рабочим колесом компрессора 7, обеспечивает сжатие воздуха, засасываемого из окружающей среды, до давления наддува рк в компрессоре. Сжатый воздух по воздушной магистрали 9 направляется во впускной коллектор 3 и далее через впускные клапана поступает в цилиндры дизеля (расход Gвозд.).

Использование наддува позволяет увеличить цилиндровую мощность дизеля (за счет появляющейся в этом случае возможности сжатия большего количества топлива) и повысить его экономичность. Однако, при этом возникает проблема согласования подачи воздуха с подачей топлива во всем поле режимов работы дизеля, так как давление наддува оказывается зависимым от расхода отработавших газов и их параметров, которые в свою очередь зависят от скоростного и нагрузочного режимов работы дизеля. В результате, например, при работе дизеля 6 ЧН 15/18 (Д6Н) по внешней характеристике и снижении частоты вращения с 1500 до 600 мин^-1 (соответственно точки А и С, фиг.3) давление наддува снижается соответственно с 1,4 до 1,0 кг/см², а подача топлива при этом меняется незначительно. Это приводит к снижению коэффициента избытка воздуха, неполному сгоранию топлива, снижению экономичности и увеличению дымности отработавших газов.

Еще более остро стоит эта проблема при работе дизеля на неустановившихся режимах. Так, например, при работе дизеля Д6Н на режиме максимальной частоты вращения холостого хода (точка В, фиг.3) с подачей топлива примерно равной 10% от полной подачи топлива и давлением наддува 1,0 кг/см² и набросе нагрузки на дизель автоматический регулятор очень быстро (в течение 0,05. ..0,1 с) перемещает рейку топливного насоса в положение полной подачи топлива, а турбокомпрессор в силу своей инерционности не успевает также быстро разогнаться до частоты вращения, соответствующей номинальному режиму (режиму в точке А, фиг.3). В результате некоторое время дизель работает с полной подачи топлива и с давлением наддува примерно равным атмосферному. Это приводит к снижению коэффициента избытка воздуха, неполному сгоранию топлива, снижению экономичности, увеличению дымности отработавших газов и ухудшению динамических характеристик дизеля.

Проведенные исследования распределения режимов работы дизелей транспортного назначения показывают, что большую часть времени (до 90% и более) эти двигатели работают на неустановившихся режимах работы. Поэтому при применении турбонаддува на этих дизелях возникает необходимость регулирования воздухоснабжения дизеля при переходных процессах.

В заявляемом дизеле с турбонаддувом регулирование воздухоснабжения осуществляется следующим образом. При работе дизеля на исходном перед переходным процессом режиме с низким давлением наддува (например, в точке В, фиг. 3) прижимной диск 27 отключаемой муфты 17 (фиг.1, 2), подпружиненный пружиной 31, прижимает фрикционный диск 32 к корпусу 26 муфты. В результате обеспечивается жесткая связь между компрессором 7 турбокомпрессора 5 и валом 16 гидротурбины 15. Одновременно мембранное перепускное устройство 18 пропускает охлаждающую воду, направляемую в радиатор 12 через дополнительную ветвь 14, в которой размещена гидротурбина 15. Это обеспечивает дополнительную подкрутку турбокомпрессора 5 гидротурбины 15 и увеличение частоты вращения турбокомпрессора n_г на исходном режиме с 17000 до 23000 мин^-1 (фиг. 4), t= 0, пунктирные линии - дизель без регулирования турбонаддува, сплошные линии - заявляемый дизель), и, как следствие соответствующее увеличение давления наддува с 1,0 до 1,15 кг/cм² на этом режиме.

При набросе нагрузки на дизель частота вращения n_д дизеля начинает уменьшаться и автоматический регулятор в течение примерно 0,1 сек перемещает рейку топливного насоса в положение полной подачи топлива (h_p=14 мм). Подача воздуха в течение этого времени практически не меняется и коэффициент избытка воздуха α уменьшается до 1,0 в дизеле без регулирования турбонаддува и до 1,3 в заявляемом дизеле (фиг.4).

Увеличение подачи топлива приводит к увеличению расхода и температуры отработавших газов, поступающих на турбину и начинается раскрутка турбины.

Частота вращения дизеля уменьшается до 1350 мин^-1 в дизеле без регулирования турбонаддува и до 1420 мин^-1 в заявляемом дизеле (фиг.4), а затем начинает увеличиваться до тех пор, пока не выйдет на свое конечное установившееся значение (фиг.4), t=6...7 c, и фиг.3, точка А). Причем время переходного процесса составляет 03,4 с для дизеля без регулирования турбонаддува и 2,4 с для заявляемого дизеля при допустимой зоне нестабильности частоты вращения n_ε=6% (см. фиг.4).

В заявляемом дизеле по мере увеличения давления наддува при разгоне давление воздуха в полости 25 (фиг.2) возрастает и при давлении наддува примерно равном 1,35 кг/см² (t=4c, фиг.4) прижимной диск 27 (фиг.2) перемещается влево, деформируя пружину 31. При этом нарушается жесткая связь между компрессором 7 (фиг.1) турбокомпрессора и валом 16 гидротурбины. Одновременно, мембранное перепускное устройство 18 начинает пропускать охлаждающую воду, направляемую в радиатор 12 через основной контур 11, минуя гидротурбину 15. Таким образом, обеспечивается отключение гидротурбины на режимах с давлениями наддува, близкими к номинальным.

Описанная система регулирования воздухоснабжения наиболее эффективна в дизелях транспортного назначения при установке на тракторы, работающие в полевых условиях, а также в дизелях транспортного назначения при их установке на транспортные средства, эксплуатирующиеся в условиях движения по магистрали. Наиболее характерными переходными процессами для таких дизелей являются сбросы и набросы нагрузки по предельной регуляторной характеристике А-В в узком диапазоне частот вращения (фиг.5). В этом диапазоне частот вращения расход воды через систему охлаждения максимален (фиг.6), что позволяет более интенсивно подкручивать турбокомпрессор на режимах с низкими давлениями наддува.

Менее эффективна описанная система регулирования воздухоснабжения в дизелях транспортного назначения при их установке на транспортные средства, эксплуатирующиеся в условиях городского давления. Наиболее характерными переходными процессами для таких дизелей являются разгоны с низких частот вращения до номинальной частоты вращения, т.е. эти двигатели работают в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов (фиг.7). Однако на низких скоростных режимах расход воды в системе охлаждения сравнительно невелик. Так, например, при разгоне дизеля Д6Н из точки Д в точку А (фиг.3) на исходном перед разгоном режиме (в точке Д) расход охлаждающей воды составляет около 130 л/мин, что почти в три раза меньше, чем расход воды в точке В (фиг. 6). Это не позволяет существенно увеличить частоту вращения турбокомпрессора перед разгоном.

Таким образом, использование заявляемого дизеля с турбонаддувом по сравнению с прототипом позволяет при переходном процессе наброса нагрузки на дизель повысить минимальный коэффициент избытка воздуха с 1,0 до 1,3. Такое увеличение коэффициента избытка воздуха в переходном процессе способствует более полному сгоранию подаваемого в цилиндры двигателя топлива и позволяет повысить тем самым топливную экономичность дизеля. С учетом распределения режимов работы дизеля транспортного назначения среднеэксплуатационный расход топлива сокращается на 3...5%. Использование заявляемого дизеля позволяет сократить продолжительность переходного процесса наброса нагрузки на дизель с 3,4 до 2,4 с, что улучшает динамические характеристики дизеля. Кроме того, следует отметить уменьшение на 30% дымности отработавших газов при использовании заявляемого дизеля.

Формула изобретения

ДИЗЕЛЬ С ТУРБОНАДДУВОМ, содержащий турбокомпрессор, подключенный к выхлопному коллектору дизеля газовой магистралью и воздушной магистралью к впускному коллектору, систему жидкостного охлаждения с гидротурбиной и валом, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности за счет улучшения динамических характеристик, он дополнительно снабжен ветвью системы охлаждения, параллельной основному контуру с гидротурбиной, отключаемой муфтой и мембранным перепускным устройством, при этом муфта подключена к компрессору турбокомпрессора и валу гидротурбины, а мембранное перепускное устройство выполнено с глухой мембранной полостью, подключенной к воздушной магистрали, и штоком, снабженным двумя запорными органами для открытия или перекрытия дополнительной ветви или основного контура системы охлаждения соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7