Двигатель внутреннего сгорания с наддувом

(71) Эта ФрДелеге Жен.8 Бюл. 9э, репр раль пур льшиор и .052(088.Франции 23/00, оп ША Р 4021 77. 2322266,лик. 1977.кл. 60-6 14,и -а че ОСУДАРСТЕ)ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ ИОТНРЫТИ(54)(57) 1. ДВИГАТЕЛЪ ВНУТРЕННЕГОСГОРАНИЧ С НАДДУВОМ, содержащийвпускной трубопровод и выпускнойколлектор, к которым соответственнопри помощи воздушного и газоподводящего каналов подключены воздухонапорные и газоприемные патрубки поменьшей мере двух турбокомпрессоров, .обводную трубу, соединяющуюэти патрубки между собой, органыперекрытия, установленные по меньшеймере в одном воздухонапорном и поменьшей мере в одном гаэоприемномпатрубках, и обводной трубопровод,соединяющий перекрываемые патрубкии снабженный запорным органом сприводом от датчика контролируемогопараметра, характеризующего отношение между расходом воздуха черездвигатель и производительностью турбокомпрессоров, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью повыше ния надежности, обводной трубопровод выполнен в виде перепускногоканала между патрубками одного итого же турбокомпрессора, его запорный орган выполнен заодно с органами перекрытия, последние установлены в патрубках того же ту бокомпрессора.2. Двигатель по п.1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что в обводной трубе установлена дополнительная камера сгорания с первичной и вторичной зонами горения, причем обводная труба выполнена разветвленной с первой ветвью, подключенной к пер.вичной, и второй ветвью, подключенной к вторичной зоне горения, снабжена органом перекрытия ветвей, чувствительным к соотношению между обФ щим расходом воздуха и расходом воздуха в первичную зону горения, а перепускной канал подключен дополнительно к впускному трубопроводу и выпускному коллектору двигателя.3. Двигатель по п.1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что запорный орган перепускного канала и органы перекрытия патрубков турбокомпрессора выполнены заодно в виде четырех- ходового запорного элемента.4. Двигатель по пп.1-3, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что датчик контролируемого параметра выполнен в виде датчика частоты вращения двигателя с одинаковым порогом срабатывания при повышении и при понижении частоты.5. Двигатель по пп.1-4, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что по меньшей мере один из турбокомпрессоров снабжен устройством для запуска сжатым .воздухом, связанным с датчиком контролируемого параметра,6. Двигатель по п.3, о т лч ю щ и й с я тем, что ть1192634 1м Ф Ъч; Составитель М. Файно Техред Л.Микеш Корректор С. Шекмар: акт едол Заказ 7184/62 с по д 13035, Мо192634ходовой запорный элемент выполнен в напорным патрубком, а в золотнике виде корпуса и подвижного относитель- выполнены каналы для сообщения перво- но него золотника, причем корпус снаб- го отверстия с третьим, второго с жен первым отверстием для сообщения четвертым и вырез для соединения межс воздушным каналом, вторым отверс- ду собой третьего и четвертого оттием для сообщения с перепускным ка- верстий, причем в вырезе разналом, третьим отверстием для соеди- мещеиа втулка, сопряженная с нения с гаэоприемным патрубком и чет- корпусом и снабженная отвервертым - для соединения с воздухо- стием.ЕИзобретение относится к машиностроению, в частности двигателе- строению, а именно к системам наддува дизелей.Целью изобретения является повышение надежности системы регулирования наддува.При этом обеспечивается работа двигателя в широком диапазоне частоты вращения с умеренным расходом 1 О топлива, независящим от условий работы, и снижение вероятности возникновения помпажа компрессоров на переходных режимах.На фиг. 1 показаны основные элемен 15 ты двигателя в положении, которое они занимают при низкой частоте вращения двигателя; на фиг. 2 - то же, но при высокой частоте вращения дви" гателя; на фиг, 3 - система масло пневматического управления длядвигателя по фиг. 1 и 2 в положении, соответствующем фиг. 1; на Лиг. 4 - часть фиг, 3 в положении, соответствующем положению на фиг. 2; на 25 фиг. 5 - иллюстрация запуска и регулирования частоты вращения двигате-. ля; на фиг. 6 - вариант детали двига теля на фиг. 1 и 2. Двигатель 1 внутреннего сгорания З 0 с наддувом (фиг. 1 и 2) содержит два компрессора ". 1 и 2.2, воэдухонапорные патрубки 3.1 и 3.2 которых могут соединяться общим воздушным каналом 4 с (простым или разветвленным) впускным трубопроводом 5 двигателя 1 и предпочтительно также с обводной трубой 6, снабженной дополнительной камерой 7 сгорания, две турбины 8.1 и 8.2, каждая иэ которых 40 приводит в движение с помощью общего вала 9, 1 или 9. 2, один из компрессоров 2.1 или 2.2, образуя с ним турбокомпрессор 10,1 или 10.2, газонапорные патрубки 11.1 и 11.2 которых могут соединяться общим газоподводящим каналом 12 с (простым или разветвленным) выпускным коллектором 13 двигателя 1 и с выходом 14 дополнительной камеры 7 сгорания, и непоказанный датчик частоты вращения двигателя 1, связанный с органами перекрытия воздухонапорного патрубка 3.1 турбокомпрессора 10,1, перекрытия соединения этого патрубка с каналом 4 и связанный также с органом перекрытия газо- напорного патрубка 11.1 того же турбокомпрессора и перекрытия соединения последнего с каналом 12, обводная труба подсоединена к газоподводящему каналу 12 в сечении 14. Перекрывают патрубки тогда, когда пони- жена частота вращения двигателя 1, Как обычно, на входе во впускной коллектор установлен охладитель 15 воздуха наддува.Датчик частоты вращения может представлять собой любую тахометрическую систему, например центробежный чувствительный элемент или тахо- генератор. Вместо него может быть применен датчик давления масла на выходе шестеренчатого насоса. Во всех случаях эти датчики характеризуют отношение между расходом воздуха через двигатель и производительностью турбокомпрессоров.Дополнительная камера 7 сгорания разделена по ходу течения на первичную 16 и вторичную 17 зоны горения1192634 зили разбавления. Труба 6 разделена на две ветви 6.,1 и 6.2. Одна ветвь 6.1 подключена к вторичной зоне 17 и снабжена первыми дросселирующими средствами 18 с переменным проходным сечением. Другая ветвь 6,2 подключена к первичной зоне 16 горениячерез вторые дросселирующие средства 19. Вторые дросселирующие средства 19 содержат сопряженные отверс тия.,20 и 21, выполненные соответственно во внутренней цилиндрической втулке 22, которая ограничивает по меньшей мере частично первичную зону 16, и в наружной цилиндрической15 втулке 23, которая ограничивает по меньшей мере частично канал 4. По меньшей мере одна топливная форсунка 24 помещена в первичную зону 16 в непосредственной близости от сопря 20 женных дросселирующих отверстий 20 и 2 1 и получает жидкое топливо по трубопроводу 25. Расход топлива через одну или несколько топливных форсунок 24 изменяют посредством25 относительного перемещения втулок 22 и 23, изменяющих расход воздуха в первичную зону 16 через изменяющееся при этом сечение сопряженньйс отверстий 20 и 21.Одна из ветвей трубы 6 ограниченаза1чкамерои 26 с отверстием, край которого образует седло 27. С седлом взаимодействует дисковый клапан 28, размещенный ниже седла, Диск клапана 28 выполнен заодно с уравновешивающим поршнем 29, который через уплотняющие средства 30 пересекает стенку канала 4. Диск клапана 28 с поршнем 29 образуют первые дросселирующие средства 18, которые находят 40 ся в равновесии под действием опорного давления Р, действующего на сечение поршня 29 в верхней или наружной его части, и давлений, действующих сверху (давление Р ) й снизу 4 (давление Р, ) дискового клапана 28, Если обозначить индексом 3 сечение поршня 29 и сечение диска клапана 28, то условия равновесия диска клапана28 и поршня 29 выражаются следующийсоотношением;Р -Р 3Р Ро, Б Следовательно, первые дросселирующие средства 18 с диском клапана 28 способны создать падение давления Р-Р которое практически не зависит от соотношения между расходом воздуха в трубе 6 и общим расходом воздуха, соответствующим производительности турбокомпрессоров, но изменяется в том же направлении, в котором изменяется давление Р,.Обе ветви трубы 6 соединены между собой на уровне вторичной зоны 17 посредством отверстий 31 таким образом, что воздух, входящий через эти отверстия, разбавляет горячую смесь, поступающую иэ первичной зоны 16.-Выпускной коллектор 13 и вторичная зона 17 камеры 7 сгорания сообщены с каналом 12.Р асход топлива, впрыскиваемого одной или несколькими форсунками 24, и расход воздуха, подаваемого через сопряженные отверстия, согласовывают между собой известными средствами.Воздух, нагнетаемый компрессорами 2. 1 и 2.2, разделяется на два потока: поток, который поступает в двигательи дополнительный поток, которьп идет к турбинам 8.1 и 8.2 через трубу 6. Этот дополнительный поток снова разделяется на два потока: на первую часть, которая питает первичную зону 16 горения через сопряженные от. - верстия 20 и 21, предпочтительно в стехиометрическом соотношении с топливом, впрыскиваемым одной или несколькими форсунками 24, и на вторую часть, которая поступает во вторичную зону 17 горения через отверстия 311, при этом вторая часть дополнительного потока предварительно проходит через первые дросселирующие средства 18 и разбавляет горячую смесь с высокой температурой, поступающую из первичной зоны 16. Когда двигатель 1 набирает частоту, расход проходящего через него воздуха увеличивается, а дополнительный поток в трубе 6 уменьшается. Следовательно, первые дросселирующие средства 18 постепенно закрываются и все больше и больше уменьшают расход воздуха, поступающего во вторичную зону 17. Воздух, поступающий в первичную зону 16, расход которого зависит только от давления, и следовательно, от нагрузки двигателя 1 (а не от частоты вращения последнего), продолжает обеспечивать сгорание в первичной зоне 16 в условиях, по возможности близких к стехиометрическим.Датчик частоты вращения двигателя 1 одновременно с тем, что при2634 6 Блок выполнен так, что или вырез 46 обеспечивает сообщение между отверстиями 42 и 43, те. между воздухонапорным патрубком 3.1 и газоприемным патрубком 11.1, при этом отверстия 44 и 45 находятся перед сплошными стенками корпуса 39 (фиг.З); или отверстие 44 обеспечивает сооб 119 низкой частоте вращения двигателя прерывает сообщение, с одной стороны, между патрубком 3.1 компрессора 2.1 и каналом 4, и, с другой стороны, между газонапорным патрубком 11. 1 того турбокомпрессора и газо- подводящим каналом 12, обеспечивает соединение патрубков между собой при помощи перепускного канала 32 (фиг. 1). Одновременно с этим прерывается сообщение патрубков по каналу 32 при высокой частоте вращения двигателя (фиг. 2).Как схематически показано на фиг.1 и 2, с датчиком частоты вращения двигателя 1 связаны два трехходо 13 ых вентиля 33 и 34, представляющие собой, например, поворотные заслонки, установленные соответственно в воздухонапорном патрубке 3.1 и газоприемном патрубке 11,1 или преимущественно четырехходовой распределитель 35 (фиг. 3 и 4), при этом вентили 33 и 34 или распределитель 35 приводятся в действие от датчика частоты вращения двигателя 1.В соответствии с вариантом выполнения на фиг. 3 и 4 четырехходовой распределитель 35 является распределителем со скользящим золотником 36, или эквивалентным распределителем с вращающимся золотником. На фиг. 3 и 4 позициями 37.1 и 38,1 обозначены роторы компрессора 2.1 и соответственно турбины 8.1, при этом оба ротора соединены валом 9.1.Золотник 36 перемещается внутри корпуса 39, который имеет четыре отверстия 40-43, соответственно сообщающиеся с каналом 4 (воздух наддува под давлением Р), с каналом 12 (выпускной газ и горючая смесь под давлением Рз), с воздухонапорным патрубком 3.1 и с газоприемным патрубком 11.1. В золотнике 36 выполнены два отверстия 44 и 45 и продольный вырез (или выточка) 46, обращенный в сторону отверстий 42 и 43, с противоположной стороны золотника имеются отверстия 40.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 щение между отверстием 42 и отверстием 40, т, е.между обводной трубой 6 и каналом 4, и, с другой стороны, отверстие 45 обеспечивает сообщение между отверстием 41 и отверстием .43, т.е. между газоподводящим каналом 12 и газоприемным патрубком 11.1 турбокомпрессора 10.1, при этом вырез 46 находится напротив сплошной стенки корпуса 39 (фиг. 4).Отверстие 45 образовано в цилиндрической втулке, которая направляет истечение горячих газов в турбину 8.1 турбокомпрессора 10.1, предотвращая прорыв струи в вырез 46, и сводит до минимума соприкосновения горячих газов с механическими частямн золотника 36. Когда этот золотник находится в положении соединения накоротко (фиг3) и под действием Ри Р з прижат к поверхности корпуса 39, которая находится со стороны турбины 8.1, втулка также прижата и предотвращает утечку воздуха (Р ) или газа (Рз ) в вырез 46 и в койечном счете в атмосферу через неработающий турбокомпрессор. Падение давления, создаваемое дросселирующими средствами 18 и служащее для продувки двигателя 1 (Р больше Рэ), служит также для продувки свежим воздухом четырехходового распределителя 35, что препятствует обратному течению газа в механизм, предотвращая образование нагара, и облегчает его охлаждение. При этом втулка имеет преимущества распределителя с вращающимся золотником.Датчик частоты вращения может быть связан с устройством для запуска одного из турбокомпрессоров. Это устройство может быть электрическим или гидравлическим (колесо Лельтона), но предпочтительно должно быть устройством для запуска струей сжатого воздуха. Такая система (пдзицией 47. 1 на фиг. 3) может направлять воздушную срую на лопатки ротора 37,1 компрессора 2.1 турбокомпрессора 10.1 под углом в соответствующем направлении для его раскрутки. С этой целью баллон 48 сжатого воздуха (например под давлением 40 бар) соединен через электрический вентиль 49 и редуктор непосредственно с системой 47.1 запуска и через отверстие 50 с одной из сторон1192634 8 7поршня 51 силового цилиндра 52 двух.1 и 2.2 содержат одинаковую систестороннего действия. Поршень 51 му запуска.штоком 53 соединен с золотником 36 Два электрических вентиля 58.1 ини с другои стороны может быть сое.2 установлены на двух трубопроводинен через трехходовой электричес дах 59.1 и 59.2, соединяющих баллон кий вентиль 54 или е напорным мас сжатого воздуха соответственно с лопроводом 55, или через калиброван- двумя системами запуска 47.1 и 47.2. кое отверстие 56 с обратным трубо- Вспомогательный трубопровод 60 соедипроводом низкого давления. Оба элек- няет между собой части трубопровотровентиля 49 и 54 управляются сис дов 59, расположенные ниже соответсттемой 57. венно электрических вентилей 58. 1 иИсходя из положения на фиг. 3, в 58.2. Вспомогательный трубопровод 60 котором находится турбокомпрессорснабжен двумя электрическими вентиля. 1, электрический вентиль 54 нахо- ми 61.1 и 6 1.2, от участка между кодится в положении, в котором напор торыми отходит трубопровод 62, кото" ный маслопровод 55 сообщается с.ниж- рый входит 63,рый входит в камеру 3, в которую ней частью поршня 51. Когда система помещена верхняя часть поршня 29, прйРуж , о частота враще- этом камера 63 соединена с атмосферойчерез калиброванное разгрузочное кий порог, она направляет сигнал отверстие 64, На трубопроводе 25, питающем дополнительную камеру сгораЭтот сигнал заставляет элект и еяет электричес- ния 7, установлен электрический венкий вентиль 49 сообщить баллон 48 тиль 65.сжатого воздуха с системой запуска Цилиндрическая втулка 66 контакти 7.1. Одновременно электрический 5 рует с поверхностью 67. Вентиль 68 вентиль 54 нахо ится в полд в положении, управляет подачей пускового воздуха, в котором нижняя часть поршня 51 а ответвление 69 обеспечивает сообсообщается с возвратным трубопрово- щение вентиля 54 с атмосферой. дом через калиброванное отверстие 156. Вследствие этого поршень 51 пе- Зо Когда двигатель 1 остановлен, элекреводит золотник 36 в положение трические вентили 58,1 и 58.2 закрына фиг. 4 с запаздыванием, дос- ты. До запуска двигателя 1 золотник таточным для того, чтобы турбокомп устанавливается в положение, сорессор 10.1 был запущен в момент, ответствующее фиг. 3, в котором задкогда в его турбину 8.1 начинают З няя часть поршня 51 сообщается с35поступать горячие газы при положении напорным трубопроводом 55 благодарязолотника 36, показанном на фиг. 4.Затем электрический вентиль 49 закрывается, и воздух, поступающий из компрессора 2.1 через отверстие сис О темы 47.1, поддерживает под давлением верхнюю часть поршня 51 (фиг. 3 штрих- пунктирные линии).Если исходить из положения (фиг.4), в,котором турбокомпрессор 10.1 рабо тает, и когда система 57 обнаруживает, что число оборотов двигателя 1 понижается ниже критического порога, эта система 57 подает сигнал на электрический вентиль 54, который занимает положение, в котором нагнетательный маслопровод 55 снова сообщается с нижней частью поршня 51, следовательно, блок занимает положение, изображенное на фиг. 3.Порядок запуска и регулированиячисла оборотов двигателя поясняетсяс помощью фиг, 5. Оба компрессора электрическому вентилю 54, затем начинают запускать один турбокомпрессор 10.1, оставив один электрический вентиль 58.1 закрытым и открыв другой электрический вентиль 58.2 таким образом, что система запуска 47.2 нагнетает сжатый воздух на лопатки ротора компрессора 2.2 Вращаясь, ротор направляет воздух в первичную зону 16 дополнительной камеры сгорания 7 через 20 и 21 и во вторичную зону 17 через отверстия 31., Когда открывают электрический вентиль 61.1, сжатый воздух поступает в камеру 63, в которой с учетом калиброванного отверстия 64 повышается давление. Отверстие 64 должно быть рассчитано так, чтобы дросселирующне средсТва 18 были открыты полностью, обеспечивая самое большое проходное сечение для трубы 6 во время операции запуска одного из турбокомпрессоров. Когда один из1192634 10 9электрических вентилей 61.1 или 61.2 снова закрыт, в камере 63 созда" ется атмосферное давление через отверстие 64, и дросселирующие средства 18 снова возобновляют нормальное регулирование согласно требуемому соотношению, Одновременно с электрическими вентилями 58.2 открывают электрический вентиль 61,2 таким образом, чтобы направить сжатый воздух в камеру 63 и открыть клапан 28, и открывают электрический вентиль 65 таким образом, чтобы форсунка или форсунки 24 впрыскивали топливо в количестве, достаточном для обеспечения независимости турбокомпрессора, одновременно производят зажигание в дополнительной камере сгорания 7. Как только турбокомпрессор получает возможность вращаться независимо, закрывают электрический вентиль 58.2.Затем запускают двигатель 1, который всасывает воздух, нагнетаемый турбокомпрессором, и увеличивают частоту его вращения до крейсерской скорости (меньше определенной выше критической величины порога). Если система 57 обнаруживает (фиг. 3), что частота вращения двигателя 1 превышает его критический порог, открывается электрический вентиль 58.1 для обеспечения нарас. тания давления, развиваемого турбокомпрессором 10.1. Когда турбокомпрессор 10.1 развивает заданное давление, он включается в сеть посредством перехода золотника 36 из положения на фиг, 3 в положение на фиг. 4. Так как свежий воздух направляется турбокомпрессорным агрегатом в обводную трубу 6, дополнительная камера сгорания 7 сообщает дополнительную энергию на турбину 8.1 одновременно с тем, когда электрический вентиль 58.1 закрыт. Для возврата к эксплуатационномурежиму изолируют турбокомпрессорпосредством перевода золотника 36из положения на фиг. 4 в положениена фиг, 3. Для остановки двигателя 1 прекращают подачу топлива в двигатель и вдополнительную камеру 7.Изобретение не ограничиваетсяописанными вариантами выполнения.Вместо одноступенчатого выполнениякаждый турбокомпрессор 10,1 и 10,2может быть второй ступенью агрегатанаддува, как схематически изображено 10 на фиг. 6 для турбокомпрессора 10.1.Первая ступень содержит компрессор70.1, нагнетательный трубопровод71,1 которого, снабженный промежуточным охладителем 72,1, подсоединен к 15 входу компрессора 2.1. Выход турбины8.1 соединен трубопроводом 73.1 свходом турбины 74.1, которая механическим путем приводит в движениекомпрессор 70.1 и которая составляет 20 с ним турбокомпрессор первой ступени.Распределитель 35 или вентили 33и 34 можно приводить в действие нев зависимости от числа оборотов двигателя 1, а в зависимости от другого 25 рабочего параметра двигателя, примеры которых приведены выше.Изобретение может использоватьсякогда двигатель 1 содержит в трубе 6дополнительную камеру сгорания 7 и ЗО когда элементы 7 не являются необходимыми для реализации изобретения,Таким образом, когда выключаюттурбокомпрессор, он продолжает вращаться, постепенно замедляясь, а воздух, нагнетаемый компрессором этогоагрегата, направляется по перепускному каналу накоротко к турбине тогоже турбокомпрессора. Кроме того, отсутствует вероятность попадания воз О духа в отключенный компрессор (нагнетаемого одним или другими несколькими компрессорами, которые еще работают), находящегося в воздушном канале, вследствие чего устраняется 45 возможность возникновения помпажа.Сочетание средств, чувствительныхк контролируемому параметру двигателя со средствами запуска турбокомпрессора позволяет также предотвратить возникновение помпажа на переходных режимах работы двигателя. Врезультате повышается надежностьдвигателя.