Устройство для наддува двигателя внутреннего сгорания

 

ОПИС

Мрф

{>>) 579933

Союэ Советскнх

Социалистических

Республнк

ИЗОБРЕТЕ Н ИЯ (61), Дополнительный к патенту (22) Заявлено 29.09,75(21) 2175701/06 (51) М. Кл.о

7 02 В 37/00 (23) Приоритет - (32) 24.04,75 (Я1) 7512742 {33) Францня (43) Опубликовано05.11.775юллетень J441 (45) Дата опубликования описания,30.09.77

Госудвротвонный комитет

Совете Мнннотран СССР оо долам нзаоротоннй н открытий (53) УДК621 43..052(088,8) Иностранцы

Жан Мельшиор н Тьеррн Андре (Францня) (72) Авторы изобретения

Иностранная фирма

„Эта Франсэ, репрезвнте пар ле Llenere

Мннисте ьель пур тРАрмеман

Ф анцня) (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАДДУВА ДВИГАТЕЛЯ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относятся к машнностроенню, в частности к днэелестроенню, а именно к системам наддува днэелей прн помощи турбокомпрессора с трубой перецуска сжатого воздуха иэ компрессора в турбину. Ь

Известны устройства для наддува двнгателя внутреннего сгорания, содержашне подключенный к воздушному реснверу н выхлопному коллектору турбокомпрессор, газопрнемный и воздухонвпорный патрубкн которого тв сообщены между собой прн помошн обводной трубы н установленного в ней запорного органа 31). Между выпускным отверстием обводной трубы н газопрнемным патрубком установлена дополнительная камера сгорания,тЬ

Этн устройства работают следующим образом, Перед запуском двигателя приводят во вращение турбокомпрессор, Сжатый воздух нэ компрессора по обводной трубе попадает в дополнительную камеру сгорания, участвует там в сжигании дополнительного

Топлива, и, перемешавшись с продуктами сгорания, поступает в турбину. В результате этого запуск турбокомпрессора осущест2 вляется по цнклу замкнутой газотурбинной установки, После того, как давление сжатого воздуха в воздухонапорном патрубке компрессора достигнет велнчяны, достаточной для обеспечения воспламенення дизельного топлива прн впрыске его в цнлнндры, запускают двнгатель внутреннего сгорании. В процессе запуска двигателя и прн его работе на холостом ходу н блнэкнх к нему режимах в газопрнемный патрубок турбокомпрессора поступают продукты сгорания нэ дополнительной камеры сгорания и отработавшие газы двигателя. После включення двигателя в работу под нагрузкой обводную трубу перекрывают.

В .этнх устройствах обводная труба и камера сгорания используются для регулирования давления наддува двигателя только прн запуске н нв режимах холостого кода.

Известны также устройства, в которых обводная труба и камера сгорания используются для регулирования дввлення наддува во всем диапазоне рабочих режимов, что поэ1.. воляет существенно повысить давление наддува прн работе на полной мощности н обес579933 (О

a7= ссP P где p - коэффициент, зависящий от усилии пружины, P - давленне в трубе перед органом дросселировання, 35 оь - коэффициент.

Причем, еслн коэффициент р можно изменять нутем воэдействня на пружину, то коэф фициент ос практически не поддается регулированию а зависят от рабочих парамет- 40 ров двигателя. Линейная зависимость поте:

ps напора er расхода не совпадает с линней макснмалжых Kflfl компрессора, что снижает эффективность его использования с таким органом дросселировання.

Кроме того, перестановочные усилии, действующие на орган дросселировання, зависят от его размеров. В результате этого, для изменения величины перестановочного усилия необходимо изменять размеры органа дросселнрования, Целью изобретения является повышение устойчивости регулирования режима работы.

Дйя достижения поставленной дели индикатор режяма работы выполнен в виде датчика перепада давлений в органе дросселн-. ровання. Датчик может быть выполнен в виде подвижной стенки, размещенной в емкости между отсеками, подсоединенными к участкам трубы, отделенным один от друго- 6О печить запуск двигателя н его экономичную работу на частичных нагрузках.

В обводной трубе таких устройств вместо . запорного органа устанавливают орган дросселнровання, подключенный к ннднкатору режима работы j2). Этот индикатор выполнен в вире подвижной стенкй полости, сообщенной с обводной трубой. Пря повышении давления в трубе стенка церзмешается н смешает орган дросселнрования в сторону уменьшения 10 проходного сечения. Йросселируюший орган в этих устройствах испытывает действие силы, пропорциональной перепаду давлений н сочетает функцию дросселирования с функцией управления, т.е. не уравновешен. Комп- И лекс дросселируюшего н управляющего органов представляет собой осциллятор, На некоторых режимах этот осциллятор может войти в резонанс, что вызывает нестабильность аэродинамического потока в обводной трубе и, как следствие, может вызвать помпаж в компрессоре, неустойчивую работу камеры сгорания н даже раэрушенне органа дросаелирования.

Закон регулирования потери напора AV в таком д эосселе приблиэнтельно может быть охарактеризован линейной зависимостью:

ro органом дросселировання, н соединен с последним прн помошя механнэма уменьшения сечения трубы прн уменьшении перепада давлений, Один иэ отсеков емкости может быть подсоединен к участку трубы, заключенному между органом дросселнровання и воздухонапорным патрубком, другой - к нсточняку эталонного давления, а к участку трубы, заключенному между органом дросселнровання и r&solIpHeMHHM патрубком турбокомпрессора, подсоединен дополнительный отсек емкости, образованный торцовой стенкой н прикрепленным к подвнжной стенке диском увелнченного диаметра.

Источник эталонного давления может быть выполнен в виде канала, сообщенного с атмосферой, нли в виде резервуаре, сообщенного с атмосферой прн помошн жиклера, снабженного . подвижной иглой, подсоеди- - ненный к нему отсек емкости пр и этом должен быть дополнительно сообщен с обводной трубой прн помоши жнклера постоянного сечен ня.

Подвижная игла кинематнчески соединена с датчиком давления в трубе.

Подвижная стенка емкости может быть сопряжена с пружиной, сжатой нри закрытом положении органа дросселнровання н установленной на подвнжной опоре, свяэаннрй с дополнительным датчиком давления в трубе.

Мвханнзм уменьшения сечения трубы . может быть выполнен с гидравлическим; усилителем импульса перемещения подвижной стенки.

Датчик перепада давлений может быть вь)полнен в виде преобразователей давления в электрические сигналы н соединен с органом дросселирования при помощи электронного контура управления его положением, а последний может быть выполнен с возможностью подключения его к счетно-вычислительному устройству.

На фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2орган дросселирования и механизм управления его положением; на фнг. 3 — вариант выполнения механизма управления; на фиг.4— характеристика воздушной части турбокомпрессора н характеристики различных дросселнруюшнх средств; на фиг, 5- варыант выполнения органа дросселнровання н механизма управления его положением, обеспечиваюший почти линейный закон изменения потери напора, зависящей от давления наддува; на фнг. 6 - зависимость плошадя жиклера с подвижной иглой от давления наддува; на фиг. 7 - привод органе дросселировання с гидравлическим усилителем, на фиг, 8— принципиальная схема органа дросселнрова579933 органов управления его положением. Один иэ вариантов выполнения датчика и оргаЭ нов управления показан на фиг. 2, Эти элементы представляют собой корпус и размешенный в его емкости по южный узел, связанный с рычагом 7 и состоящий из подвижных стенок. Подвижный узел состоит иэ поршня 13 (или диска) увеличенного диамеч ра и стенки поршня 14 малого диаметра, соединенных между ссбой тягой 15. Поршни делят емкость на три отсека, Поршень 13 увеличенного диаметра образует в корпусе отсек 16, соединенный с участком трубы, заключенным между органом дросселирования и газоприемным патрубком турбокомп рессора. Торцовая поверхность поршня 14 малого диаметра отделяет в корпусе отсек

17, подсоединенный к участку трубы, заключенному между органом дросселирования и воэдухонапорным патрубком турбокомпрессо« ра. Заключенный между поршнями отсек 18 емкости сообшен с атмосферой, в связи с чем в нем устанавливается эталонное атмосферное давление Ро .

В отсеке 17 расположена возвратная пружина 19, действуюшая в направлении увеличения проходного сечения оргайа дросселиров&ния с усилием Р, Если обозначить через В и 6 плошади торцовых поверхностей поршней 13 и 14, то потеря давления P в органе дросселирования определяется следующей математичеса кой зависимостью:

5-6 У+Р (8-e) ьР= Р (2) 5 ния и электронного контура управления его положением; на фиг. 9 - принципиальная схема органа дросселирования и электронного контура с корректировкой положения органа дросселирования в зависимости от 6 рабочих параметров двигателя; на фиг. 10принципиальная схема запрограммированной системы электрического регулирования наддува,используемая, в частности, в судовой установке с винтом постоянного шага. )0

Двигатель 1 внутреннего сгорания может быть четырэхтактньтмспониженной степенькт сжатия (мейьше 12), но может быть и иного, в том числе и роторного,. типа н с любым иным значением степени сжатия. 15

К его воздушному ресиверу 2 и выхлопному коллектору 3 подключен турбокомцрессор 4, газоприемный и воздухонапорный патрубки которого сообшены между собой при помощи обводной трубы 5. B трубе жестко 20 на оси установлена поворотная дроссельная заслонка 6 (орган дросселирования). Ось заслонки при помощи рычага 7 соединена с датчиком перепада давлений в органе дросселирования (варианты выполнения показань1 25 на фиг. 2, 3, 5 и 6). ;

Турбокомпрессор состоит иэ турбины 8 и компрессора 9, расположенных на общем валу. Со стороны всасывания воздуха в компрессор может быть установлен не по- 30 казанный на чертеже пусковой электромотор с муфтой сцепления. Компрессор должен иметь повышенную степень сжатия, превышаюшую 6, При необходиьюсти обеспечения более высокой степени сжатия (выше 10) 35 компрессор может быть выполнен многоступенчатым и многокорпусным с промежуточным охлаждением.

Дополнительная камера сгорания 10 питается топливом, поступаюшим из топливо- 40 провода ll и обеспечивает повышение температуры газов, поступающих в турбину иэ коллектора. Количество впрыскиваемого в камеру топлива дозируется управляющей системой 12, не допускаюшей падения давле- 40 ния наддува ниже заданного значения. При этом обводной трубопровод постоянно открыт. во время работы и обеспечивает постоянную перетечку по нему воздуха, не всасываемого двигателем, в турбину, Пово- 50 ротная дроссельная заслонка создает в трубопроводе сопротивление, потеря напора в котором ь P = Р - P> в основном пропорциональна давлению P на выходе из компа рессора и не зависит от расхода воздуха.

Орган дросселирования может быть выполнен также в виде иных уравновешенных устройств, например золотника или шибера.

Орган дросселирования подключен к датчику перепада давлений в нем при помощи 60 отображающей линейный закон.

Если с атмосферой соединить отсек 17, а отсек 18 - с трубой между органом дросселирования и воздухонапорным патруб» ком турбокомпрессора, то математическая зависимость изменится и примет вид: р V+V 5

al= — Р-—

g 2 g

При этом линейный закон изменения Ь P сохраиитс я, но до тех пор, пока расход будет меньше величины, при которой обусловленная полным открытием дросселя величина Л P становится избыточной, На фиг, Э плошадь поршней выполнена одинаковой, но поршень 14 воздействует на поворотную заслонку через более короткий рычаг.

При увеличении перепада давлений по обф стороны органа дросселироваиия, усилия, действующие на поршни, поворачивают дроссельную заслонку в сторону увеличения проходного сечения. При уменьшении перепада

579933

7 давлений сечение трубы уменьшается. Таким образом, механизм управления положением органа дросселирования представляет собой механизм уменьшения сечения трубы при уменьшении перепада давлений. Минимальное 6 сечение трубы регламентируется характеристикой возвратной пружины 19.

На фиг. 4 представлена граница помпажа Т, соответствующая характеристике напор-pасход компрессора. Использование ли-дО нейной зависимости потери напора в органе дросселирования допускает две возможных линии совместной работы: характеристику С, расположенную далеко от границы помнажа и в зоне низких КПД компрессорщ;5 харктеристику С2, расположенную в зоне максимальных КПй компрессора, но пересекающую границу помпажа.

Для решения вытекающей из фиг, 4, дилеммы можно использовать вариант выполнен ния предлагаемого устройства, представленный на фиг. 5. Отсек 18 непосредственно соединен с участком трубы, заключенным между органом дросселирования и воздухонапорным патрубком, и давление а нем рав- 25 но давлению P> . С эгим же участком трубы при помощи жиклера постоянного сечения 20 сообщен отсек 17. Кроме того, отсек 17 дополнительно сообщен с атмосферой при номоши жиклера 21, снабженного подвижной 30 иглой 22. Таким образом, отсек 17 практически объединен с резервуаром эталонного давления, изменяющегося в первом приближении в соответствии с зависимостью:

Р - о К—

Р2 о 2 или P, K$ P„iP,{f-gЩ), 54 и р2- плошади жиклеров, К вЂ” коэффициент пропорциональ;ности, В этих условиях потеря напора может быть определена из выражения: окончательно:

ap.- 4-к р- — р.Kà 4-к —. или:

Сечение S или сечение 5 1зависят от рабочих параметров двигателя, учитываемых при желании модифицировать коэффи- 60

8 циенты линейного закона. На фиг. 5 жиклер

21 выполнен в аиде отверстия в жесткой коробке, а игла 22 спрофилирована и прикреплена к торцовой сгенке сильфона 23, сообщенного с обводной трубой и выполняюmего роль датчика давления в трубе. Профиль иглы и характеристика сильфона определяют характер изменения проходного сечения жиклера в зависимости от давления в трубе, например, по кривой, приведенной на фиг. 6, Можно установить и другие жиклеры, реагирующие на иные параметры двигателя.

Чтобы воздействовать на коэффициент 3, можно делать опору пружины 19 подвижной, перемещающейся в зависимости от одного иэ параметров. двигатели. Например, можно заменить пружину 19 пружиной 24, показанной на фиг, 2 пунктиром, расположен» ной на подвижной стенке 25, полости 26, подключенной к трубе. В этом случае коэффициент р зависит от давления Р2 в рубе.

В предлагаемом устройстве (фиг. 2, 3,5) источником перестановочного усилия является перепад давлений, Однакой для большей четкости можно применить гидравлический усилитель импульса перемещения подвижной стенки (поршня) как показано на фиг, 7.

Подвижный узел связан не с рычагом 7, а с иглой 26, перемещающейся в .неподвижной насадке с целью иэменечия проходного сечения. Насадка размещена в магистрали выпус ка масла из цилиндра 27, питаемого через жиклер 28 от насоса 29 постоянного давления. Положение иглы определяет величину давления в цилиндре, действующего íà силовой поршень 30, управляющий через рычаг7 закрытием органа дросселирования 6, Пружина 31 препятствует перекрытию сечения.

Подвижный узел, может управлять не пропускным сечением тидроусилителя, а каг ким либо датчиком, например ползунком электрического потенциометра, как показано на фиг. 8. Орган дросселирования в этом случае будет управляться электрическим приводом. Такое устройство позволяет обеспечить любой закон изменения напора в органе дросселирования в зависимости от давления в трубе. Сигналы от датчиков 32 и 33 через предварительные усилители 34 и 35 и сопротивления 36 и 37 поступают на входы дифференциального усилителя 38, приводящего в движение орган дросселирования6.

Электродвигатель 39 привода органа дросселирования устанавливается в уравновешенное положение в соответствии с выражением:

К э

6- . (eg e.)

9 579933 10 которое и определяет потерю напора я- —

gP = Q -Р, ° > Коэффициенты К г и К в этом 3

Ьурнженйи регулируются воздействием на сопротивления 36 и 37, где К вЂ” постоянная, Как было показано выше, нелинейный закон изменения Ь P может оказаться предпочтительным. Наиболее простым решением атой Капсула чувствительногь элемента 44 задачи было бы воздействие на величину со- УпРавлЯет потенциометром 4.з сопротивлепротивленнй 36 и 37 Могут быть и более ние котоРого вследствие этого BPoaoPUHoсложные цепи регулирования. В обшем случае10 "a " l eee aeo, .jto усилители могут о еспечить л или ели могут обеспечить любой желатель- Потенциометры 42 и 45 Установлены во ный закон передачи. В практических условиях входных контУРах соответствующих Рабочих для атого может быть подключено счетно-вы- Усилителей 46 и 47, котоРые воздействУю . числительное устройство, управляюшеа поло- íà аналоговый мультипликатор 48. Реверженнем органа дросселирования в зависимО- ц сивный мотор 49 перемешает одновременно сти. от первой входной величины, образован- шибер 40 и движок потенциометра 50, устаной давлением в обводном трубопроводе; от новленного во входном контУРе УсилителЯ второй входной величины, отражающей соотно- 51. Выходные напряжения усилителя 51 и шение между расходом через обводной трубо./ мультипликатора 48 через дифференциальпровод и производительностью компрессора. г(Представленный на фиг, 9 электронный конэта вторая величина может быть выведена тур управления положением органа дросселия а па амет ов двигателя). рования позволяет обеспечить требуемый

На иг, 9 показан пример выполнения закон изменения потери напора в зависимости ст ойства, в котором орган дросселироваоТ Режима Работы двигателя т е в части м ,ния выполнен в виде шибера 40, управляеслучае, от расхода воздуха через обводную мого контуром, в котором одной входной трубу, величиной служит давление Рг а второйрасход воздуха Я через обводную трубу.

Система привода может быть упрощена

Шибер расположен в ячейке трубы. Можно и ЗО при наличии двух - или однозначной эависи- рассчитать профиль шибера и профиль яче— ки таким образом, чтобы сечение для про- мости между числом оборотов двигателя и положение шибера может определяться коп- ° ны полного открытия, по закону:

® туром, имеющим форму открытой петли, един(3) ственный входной параметр которой определяется давлением F2 Это относитсяр в ча стности, к работе двигателя с постоянной где б„и 0 - константы, скоростью (дизель-генераторная станция)

Такой закон изменениЯ облегчает УпРав- 40 или в сл ае т ового ига ля (дв а ля, ление, но обязательным не является. у которого произведение момент. на скорость

Потери напоРа в таком Устройстве в ос- не изменяет я) или к двигателю, соединенновном пропорциональна квадрату отношения ному с винтом или насосом постоянного шамассового расхода к проходному сечению и определяется выражением: .4о В качестве примера такой упрошенной схемы на фиг. 10 приведена алектрическая . (4) схема регулирования для судовой установки, Состав электронного контура сводится здесь к чувствительному элементу 53, реагде Я вЂ” является более или менее постоян-> гируюшеь|у на изменение давления, воздейной .величиной. ствуюшему через усилитель 54 и привод 55

Чувствительный к величине давления але- на положение органа дросселирования 6. I мент 41 смешает .движок потенциометра 42, сопротивление которого вследствие этого Bce рассмотренные варианты реализации у пропорционально давлению Рг .. Информация предлагаемого технического решения по о расходе поступает из трубки Пито 43 че- своей компоновке отличаются от известных реэ чувствительный алемент 44, Разница и основаны на использовании перепада давмежду статическим и динамическим давле- лений в качестве управляюшего импульса и пнями на выходе иэ трубки Пито определяет- на разделении функций дросселирования к ся следуюшим выражением: функций управления.

11 5799

В результате этого предлагаемое устройство повышает устойчивость регулирования щ режима работы двигателя. л

Формула изобретения

Устройство для наддува двигателя внутрен.него сгорания, содержащее подключенный к воздушному ресиверу и выхлопному коллектору турбокомпрессор, газоприемный и воздухоиапорный патрубки которого сообщены между .ц собой при помощи обводной трубы и установ3, ленного в ней,уравновешенного органа дросселирований, подключенного к индикатору режимаработы,отли чаюшеес я тем, что, с целью повышения устойчивости регу- ) лирования режима работы, индикатор выполнен в виде датчика. перепада давлений и органе дросселирования., 2. Устройство .по п. 1, о т л и ч а юш е е с я-тем, что датчик перепада давле- 20 ний выполне в виде подвижной стенки, размещенной в емкости между отсеками, подсоединенными K участкам трубы, отделенным один ог.щзугого органом дросселирования, и соедщвн с последним при помощи механизм@ 6 уменыявниа сечения трубы при уменьшении перепада давлений, 3. Усчройство цо пп, 1-2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что один из отсеков емкости подсоединен к участку трубы, заключенному между органом дросселирования и воздухонапорным патрубком, другой — к источнику эталонного давления, а к участку трубы, заключенному между органом дросселирования и газоприемным патрубком турбокомп35 рессора, подсоединен дополнительный отсек емкостй, образованный торцовой! стенкой и прикрепленным к подвижной стенке диском увеличенного .диаметра.

4. Устройство по пп. 1-3, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что источник эталонного давления выполнен в виде канала, сообщенного с атмосферой.

33 12

5. Устройство по пп. 1-3, о т л и ч а юе е с я тем, что источник эталонного давения выполнен в виде резервуара, сообщенного с атмосферой прй помощи жиклера, снабженного подвижной иглой, а подсоединенный к нему отсек емкости дополнительно сообщен с обводной трубой при помощи жиклера постоянного сечения.

6, Устройство по и. 3, о т л и ч а юш е е с я тем, что подвижная игла кинематически соединена с датчиком давления в трубе.

7. Устройство по пп, 1- 6, о т л и ч а юш е е с я тем, что подвижная стенка емкости сопряжена с пружиной, сжатой при закрытом положэиин органе дросселирования.

8, Устройство по и, 7, о т. л и ч а ю— щ е е с я тем, что пружина уотаиавлена на подвижной опоре, связанной с донолнительным датчиком давления в трубе.

9, Устройство по п. 2, о т л и ч а юш е е с я тем, что механизм уменьшения сечения трубы выполнен с гидравлическим усилителем импульса перемещения подвижной стенки.

1О. Устройство по и, 1, о т л и ч а ющ е е с я тем, что датчик перепада давлений выполнен в виде преобразователей давления в электрические сигналы, в соединен с органом дросселирования при помощи електронного контура управления его положением„

11. Устройство по п. 10, о т л и ч а @щ е е с я тем, что электронный контур управления выполнен с воэможностью цодклк чения к счетно-вычислительному устройству .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Патент США% 3676999, кл. 60-13, 197 2»

2. Патент Швейцарии hb 565940, кл, 7 02 В 37/00, 1975.

579933

Риг.ю

Составитель N. Файн

РедфктоР М, Васильева ТехРедН, ВабУРка КоРРектОР А, Власенко

Закаэ 3573/46 Тираж 690 Подписное

ИНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

14,3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4