Двухтопливный двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с турбонаддувом, работающим на двух видах топлива. Техническим результатом является повышение эффективности двигателя путем обеспечения высоких технико-экономических и мощностных показателей при работе на бензине и газе во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. Двухтопливный двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом содержит карбюратор, смеситель с каналами впуска воздуха и газа и каналом выпуска газовоздушной смеси. В магистрали подачи газа последовательно установлены редуктор высокого давления, электромагнитный клапан с газовым фильтром и двухступенчатый редуктор низкого давления с первой ступенью повышенного давления и второй ступенью низкого давления, магистраль подачи бензина в карбюратор и турбокомпрессор с турбиной, подсоединенной к выпускному трубопроводу двигателя. Смеситель выполнен в направляющем аппарате компрессора. Наддиафрагменная полость первой ступени редуктора низкого давления сообщена с каждым диффузором карбюратора посредством пучка трубопроводов, каждый из которых снабжен пневмоклапаном-ускорителем и управляемым дозирующим устройством. В месте разветвления пучка трубопроводов установлен запорный орган, наддиафрагменная полость второй ступени редуктора низкого давления сообщена с направляющим аппаратом компрессора. 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, предназначенным для работы на двух видах топлива.

Уже известен двухтопливный двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, содержащий выпускной трубопровод для выпуска отработавших газов из выпускного коллектора в атмосферу, топливопровод для подвода топливовоздушной смеси, с подсоединенным к нему карбюратором, переходник-смеситель, снабженный каналами для впуска воздуха и газа, воздушный фильтр для очистки воздуха, подключенный всасывающим трубопроводом к компрессору турбокомпрессора, снабженного газоприемным и воздухонапорным трубопроводами, и сообщенное с последним и всасывающим трубопроводами воздухораспределительное устройство с обратным автоматическим клапаном, магистраль для подачи бензина в карбюратор, снабженную первым электромагнитным клапаном с бензиновым фильтром, и магистраль подачи газа в переходник- смеситель, снабженную вторым электромагнитным клапаном с газовым фильтром, двухступенчатым редуктором-регулятором давления газа с наддиафрагменными полостями и орган перепуска отработавших газов из выпускного коллектора в атмосферу с приводом управления. /см. патент РФ N 2031220, F 02 B 37/00, 1992 г./.

Работа указанного двигателя на газу недостаточно эффективна в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов в связи с тем, что согласование подачи воздуха и газа на ряде рабочих режимов является неоптимальным, что приводит к падению мощности и ухудшению расхода топлива.

Задачей изобретения является повышение эффективности двигателя путем обеспечения эффективной работы как на бензине, так и на газе во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов.

Для достижения поставленной задачи с заявляемым техническим результатом в известном двухтопливном двигателе внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, содержащем карбюратор, снабженный по меньшей мере одним диффузором, смеситель с каналами впуска воздуха и газа и каналом выпуска газовоздушной смеси, магистраль подачи газа, в которой последовательно установлены редуктор высокого давления, электромагнитный клапан с газовым фильтром и двухступенчатый редуктор низкого давления с первой ступенью повышенного давления и второй ступенью низкого давления, магистраль подачи бензина в карбюратор и турбокомпрессор с турбиной, подсоединенной к выпускному трубопроводу двигателя, согласно изобретению смеситель выполнен в направляющем аппарате компрессора, наддиафрагменная полость первой ступени редуктора низкого давления сообщена с каждым диффузором карбюратора посредством пучка трубопроводов, каждый из которых снабжен пневмоклапаном-ускорителем и управляемым дозирующим устройством, причем в месте разветвления пучка трубопроводов установлен запорный орган, а наддиафрагменная полость второй ступени редуктора низкого давления сообщена с направляющим аппаратом компрессора.

Проведенный анализ научно-технической и патентной литературы не выявил изобретений с вышеуказанной совокупностью существенных признаков.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого двигателя; на фиг. 2 показан фрагмент карбюратора в этом двигателе; на фиг.3 представлена зависимость давления наддува от оборотов двигателя.

Двигатель 1 внутреннего сгорания оснащен турбокомпрессором, состоящим из газовой турбины 2, приводимой в движение отработавшими газами, и компрессора 3 для подачи сжатого воздуха в камеру сгорания двигателя 1. Газовая турбина 2 своим газоприемным патрубком 4 подключена к выпускному трубопроводу 5 двигателя 1 и для выпуска отработавших газов в атмосферу снабжена выпускным патрубком 6, выполненным с обводным трубопроводом 7 и перепускным органом 8. Компрессор 3 своим воздухоприемным патрубком 9 через всасывающий трубопровод 10 сообщен с воздушным фильтром 11, а воздухонапорным патрубком через нагнетательный трубопровод 12 сообщен с воздухораспределительным устройством 13 и камерой сгорания двигателя. Воздухораспределительное устройство 13 сообщено со всасывающим трубопроводом 10 и снабжено на стыке с ним обратным автоматическим клапаном 14. Магистраль 15 подачи газа в двигатель 1 содержит последовательно установленные и соединенные трубопроводами 16 газовый баллон /не показан/, магистральный газовый вентиль 17, одноступенчатый редуктор 18 высокого давления, электромагнитный клапан 19 с газовым фильтром и двухступенчатый газовый редуктор 20 низкого давления с первой ступенью 21 повышенного давления и второй ступенью 22 низкого давления с наддиафрагменными полостями.

Нагнетательный трубопровод 12 сообщен через балансировочные трубки 23 и 24 с наддиафрагменными полостями первой 21 и второй 22 ступеней газового редуктора 20 низкого давления соответственно. Магистраль 25 подачи бензина в карбюратор 26 включает в себя топливный бак /не показан/, бензонасос 27, электромагнитный клапан 28 с бензиновым фильтром и запорный орган 29. Карбюратор 26 содержит по меньшей мере два диффузора 30 с дроссельными заслонками 31. Наддиафрагменная полость первой ступени 21 редуктора 20 низкого давления сообщена с каждым диффузором 30 карбюратора 26 посредством пучка трубопроводов 32, каждый из которых снабжен пневмоклапаном- ускорителем 33 и управляемым дозирующим устройством 34. В месте разветвления пучка трубопроводов 32 установлен запорный орган 35. Наддиафрагменная полость второй ступени 22 редуктора 20 низкого давления сообщена с направляющим аппаратом компрессора 3 посредством трубопровода 36, снабженного дозирующим устройством 37. В магистрали 15 подачи газа после редуктора 20 установлен датчик давления 38, подключенный к перепускному органу 8 обводного трубопровода 7 и к пневмоклапанам-ускорителям 32. Смеситель газа с воздухом выполнен в направляющем аппарате компрессора 3. Канал впуска воздуха в смеситель представляет собой всасывающий трубопровод 10 компрессора 3. Канал впуска газа в смеситель сообщен с наддиафрагменной полостью ступени 22 низкого давления редуктора 20. Канал выпуска газовоздушной смеси из смесителя - это нагнетательный трубопровод 12 компрессора 3. Управление дроссельными заслонками 31 осуществляется через педаль акселератора 39.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

В цилиндре двигателя 1 внутреннего сгорания происходит процесс сгорания. Поршень выталкивает газы через выпускной трубопровод 5 в газоприемный патрубок 4, откуда газы поступают в турбину 2, выполненную с возможностью регулирования давления наддува посредством перепускного органа 8 в обводном трубопроводе 7.

При работе на газообразном топливе сжиженный газ из баллона высокого давления через открытый магистральный вентиль 17 и газовый трубопровод 16 поступает в одноступенчатый редуктор 18 высокого давления, где давление газа снижается до 0,8-1,2 МПа. Проходя через электромагнитный клапан 19 с газовым фильтром, газ очищается от механических примесей и поступает в первую ступень 21 повышенного давления двухступенчатого редуктора 20 низкого давления, в которой давление газа снижается до 0,18-0,20 МПа. Затем газ из первой ступени 21 поступает во вторую ступень 22 низкого давления редуктора 20, где его давление снижается до близкого к атмосферному. В дальнейшем газ из второй ступени 22 редуктора 20 поступает по трубопроводу 36 в дозирующее устройство 37, обеспечивающее подачу необходимого количества газа в газовоздушный смеситель, выполненный в направляющем аппарате компрессора 3, где смешивается с очищенным воздухом, поступающим одновременно из воздушного фильтра 11 по всасывающему трубопроводу 10. Образовавшаяся газовоздушная смесь сжимается в компрессоре 3 и по нагнетательному трубопроводу 12 через карбюратор 26 и диффузоры 30 поступает в камеру сгорания двигателя 1, где происходит процесс сгорания. Смешение газа с воздухом происходит в направляющем аппарате компрессора 3, начинаясь в его всасывающем патрубке, т.е. в зоне максимального разрежения, в которой создаются наилучшие условия смешения газового потока и воздушного с минимальными потерями по смешению. Подача газа осуществляется в зону минимального давления /максимальных скоростей/ по ряду отверстий, размещенных в статоре /корпусе/ компрессора с направлением подвода газа, близким к осевому. Смешение газа и воздуха завершается в рабочем колесе компрессора 3, где имеет место наиболее интенсивный подвод энергии и оптимальные условия для смешения и выравнивания неравномерностей газовых и воздушных струй.

Образующаяся горючая смесь, обладая повышенной плотностью по сравнению со смесью газа с атмосферным воздухом в двигателе без наддува, через диффузоры 30 карбюратора 26 направляются в камеру сгорания двигателя. Смесь поступает в двигатель под избыточным давлением, компенсируя потерю мощности по сравнению с мощностью двигателя при работе его на бензовоздушной смеси.

При работе двигателя выпускные газы, проходя по выпускному трубопроводу 5, вращают рабочее колесо газовой турбины 2, и установленный на одном валу с ней компрессор 3. Удаляются выпускные газы в атмосферу через выпускной патрубок 6.

При возрастании нагрузки и как следствие повышения давления наддувочного воздуха, последнее передается в наддиафрагменные полости ступеней повышенного и низкого давления редуктора 20. Рост давления в наддиафрагменных полостях высокого и низкого давления с одновременным разрежением в полости второй ступени 22 редуктора 20 низкого давления сопровождается увеличением перепада давлений в полостях первой и второй ступеней редуктора 20, что приводит к возникновению дополнительных усилий на диафрагмы и клапаны низкого и повышенного давления.

Степень открытия клапанов увеличивается, что приводит к соответствующему повышению расхода газа через эти клапаны. Все это в целом приводит к росту расхода газа в соответствии с возросшим расходом воздуха через двигатель.

Дальнейшее возрастание нагрузки двигателя обуславливает повышение давления наддувочного воздуха и как следствие повышение степени открытия клапанов повышенного и низкого давления соответственно первой и второй ступени редуктора 20, что приводит к увеличению подачи газа в соответствии с возросшей нагрузкой двигателя. При работе на газообразном топливе электромагнитный клапан 19 открыт. Перепускной орган 8 управления в обводном трубопроводе 7 установлен в положение для подачи выпускных газов в газовую турбину 2.

При увеличении частоты вращения двигателя путем нажатия на педаль 39 акселератора и соответственном открытии дроссельных заслонок 31 происходит увеличение давления наддува ΔP_к и соответственно плотности воздуха и подача газа становится недостаточной для обеспечения оптимального сгорания в двигателе за счет роста плотности воздуха на выходе из компрессора 3. В этом случае из 1 зоны работы /см. фиг.3/ только за счет разрежения переходим во вторую зону. Работа в ней осуществляется при давлении наддува в нагнетательном трубопроводе 12, достигшем величины P₁. Этот сигнал открывает запорный орган 35 и включает дополнительную подачу газа через пневмоклапан-ускоритель 33 и управляемое дозирующее устройство 34 в диффузоре 31 карбюратора 26.

После того как дальнейшее нажатие на педаль 39 акселератора открывает дроссельную заслонку 31 во втором диффузоре 30 и по достижению давления наддува P₂ включается дополнительный подвод газа в этот диффузор через размещенный в нем пневмоклапан-ускоритель 33 и дозирующее устройство 34, управляемое давлением наддува в нагнетательном трубопроводе 12.

Соотношение давлений P₁ и P₂ равно: 0,5-0,8 /фиг.3/.

Работа двигателя в зоне II осуществляется в основном при работе только первой камеры/ например, при двухкамерном карбюраторе/. При дальнейшем увеличении частоты вращения двигателя начинает работать в точке R, близкой к режиму максимального крутящего момента. Система перепуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, минуя турбину, направляет их непосредственно в атмосферу.

При повышении частоты вращения двигателя открывается вторая заслонка и обеспечивается, начиная с давления P₂, работа двигателя в зоне III путем дополнительной подачи газа во вторую камеру карбюратора.

При работе двигателя на жидком топливе бензин из бака бензонасосом 27 через бензопровод, открытый электромагнитный клапан 28 подается в карбюратор, в который одновременно подается воздух из компрессора 3, прошедший через воздушный фильтр 11. Образовавшаяся бензовоздушная смесь поступает в цилиндры двигателя 1, где происходит процесс сгорания. Процесс выпуска отработавших газов происходит аналогично двигателю, работающему на газовом топливе и подробно описан выше.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо на автомобилях.

Уже подготовлен и прошел испытания его опытный образец на автомобиле ВАЗ 2105.

Применение предлагаемого двигателя с заявляемой совокупностью существенных признаков позволяет значительно, на 20-30 л.с., повысить его эффективность, обеспечивая во всем диапазоне рабочих режимов, в том числе и на переходных режимах, высокие мощностные показатели при работе на газе.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить оптимальные показатели рабочего процесса в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя за счет согласования подачи воздуха и газа при оптимальной гомогенизации газовоздушной смеси в направляющем аппарате компрессора.

Формула изобретения

Двухтопливный двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, содержащий карбюратор, смеситель с каналами впуска воздуха и газа и каналом выпуска газовоздушной смеси, магистраль подачи газа, в которой последовательно установлены редуктор высокого давления, электромагнитный клапан с газовым фильтром и двухступенчатый редуктор низкого давления с первой ступенью повышенного давления и второй ступенью низкого давления, магистраль подачи бензина в карбюратор и турбокомпрессор с турбиной, подсоединенной к выпускному трубопроводу двигателя, отличающийся тем, что смеситель выполнен в направляющем аппарате компрессора, наддиафрагменная полость первой ступени редуктора низкого давления сообщена с каждым диффузором карбюратора посредством пучка трубопроводов, каждый из которых снабжен пневмоклапаном-ускорителем и управляемым дозирующим устройством, причем в месте разветвления пучка трубопроводов установлен запорный орган, а наддиафрагменная полость второй ступени редуктора низкого давления сообщена с направляющим аппаратом компрессора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3