Устройство для наддува двигателя внутреннего сгорания

ОП ИС Мй(11) 579933 Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ИЗОБРЕТЕ Н ИЯ ю,04,75 Гааударатаанный камитет 6 аватв Мкннатраа ССС аа долам иэааратаний и открытийИностранцы Жан Мельшнор и Тьерри Андре72) Авторы изобретени Иностранная фирма Эта франсэ, репрезанте пар ле Деле Министе ьель пур лаАрмемаиф Ф анция)(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАДДУВА ВНУТРЕННЕГО СРОРАНТЕЛЯ Изобретение относится к машиностроению, в частности к диэелестроению, а именно к системам наддува дизелей при помощитурбокомпрессора с трубой перееуска сжатого воздуха иэ компрессора в турбину, ЬИзвестны устройства для наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащие подключенный к воздушному ресиверу и выхлопному коллектору турбокомпрессор, газоприемный и воздухонапорный патрубки которого 0сообщены между собой при помощи обводнойтрубы и установленного в ней запорного органа 1,11, Между выпускным отверстием обводной трубы и газоприемным патрубкомустановлена дополнительная камера сгорания,тЬЭти устройства работают следующим образом,Перед запуском двигателя приводят вовращение турбокомпрессор, Сжатый воздухиэ компрессора по обводной трубе попадает в дополнительную камеру сгорания,участвует там в сжигании дополнительноготоплива, и, перемешавшись с продуктамисгорания, поступает в турбину. В результате этого запуск турбокомпрессора осушест- И вляется по циклу замкнутой газотурбиниой установки, После того, как давление сжатого воздуха в воздухоиапорном патрубке компрессора достигнет величины, достаточной для обеспечения воспламенения дизельного топлива при впрыске его в цилиндры, запускают двигатель внутреннего сгорания. В процессе запуска двигателя и при его работе на холостом ходу и близких к нему режимах в газоприемный патрубок турбокомпрессора поступают продукты сгорания иэ дополнительной камеры сгорания и отработавшие газы двигателя, После включения двигателя в работу под нагрузкой обводную трубу перекрывают.В .этих устройствах обводная труба и камера сгорания используются для регулирования давления наддува двигателя только при запуске и на режимаххолостого кода,Известны также устройства, в которых обводная труба и камера сгорания используются для регулирования давления наддува во всем диапазоне рабочих режимов, что поэ 1 воляет существенно повысить давление наддува при работе на полной мощности и обес, Власеик Тираж енного елам и лиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная,Закаэ 3573/46 ИНИИПИ ГОсударств по д МЗ 035, Москва80Подписноеомитета Совета Министров Собретений и открытийЖ-З 8, Раушская нвб., д, 4/8(О30 ЬР =оР фгде у 5 - коэффициент, зависящий отусилии пружины,Р - давленне в трубе перед органом дроссеаировання,35оь - коэффициент.Првчем, если коэффициент 3 можно изменять нутем воэдействня на пружину, то коэффвциент ос щактячески не поддается регулированию в зависят от рабочих параметров двигателя. Линейная зависимость поте:рн напора от расхода не совпадает с линней макснмалыых КП,Й компрессора, чтоснижает эффективность его использованияс таким органом дросселировання.Кроме того, перестановочные усилии, действующие на орган дросселировання, зависят от его размеров, В результате этого,для изменения величины перестановочногоусилия необходимо изменять размеры органа дросселнрования,Белью изобретения является повышениеустойчивости регулирования режима работы,Дйя достижения поставленной дели индикатор режяма работы выполнен в виде датчика перепада давлений в органе дросселнровання.,Оатчнк может быть выполнен в виде подвижной стенки, размещенной в емкости между отсеками, подсоединенными кучасткам трубы, отделенным один от друго 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 21. Этот индикатор выполнен в вире подвижной стенкй полости, сообщенной с обводной трубой, Пря повышении давления в трубе стенка иерэмешается н смешает орган дросселнрованияв сторону уменьшения 10 проходного сечения, Йросселируюший орган в этих устройствах испытывает действие сэлы, пропорциональной перепаду давлений н сочетает функцию дросселирования с функцией управления, т,е. не уравновешен. Комп-И лекс дросселирующего н управляющего органов представляет собой осциллятор, На некоторых режимах этот осциллятор может войти в резонанс, что вызывает нестабильность аэродинамического потока в обводной ф трубе и, как следствие, может вызвать помпаж в компрессоре, неустойчивую работу камеры сгорания н даже раэрушенне органа дросселирования.Закон регулирования потери напора Ь 7 в таком доосселе приблиэнтельно может быть охарактеризован линейной зависимостью: го органом дросселировання, н соединен споследннм прн помошя механнэма уменьщення сечения трубы прн уменьшении перепада давлений.Орин иэ отсеков емкости может бытьподсоединен к участку трубы, заключенномумежду органом дросселнровання и воздухонапорным патрубком, другой - к нсточнякуэталонного давления, а к участку трубы,заключенному между органом дросселнровання и газоприемным патрубком турбокомпрессора, подсоединен дополнительный отсекемкости, образованный торцовой стенкой нпрнкрепленным к подвнжной стенке дискомувелнченного диаметра.Источник эталонного давления можетбыть выполнен в виде канала, сообщенногос атмосферой, нли в виде резервуара, сообщенного с атмосферой прн помошн жиклера,снабженного ,подвижной иглой, подсоеди :ненный к немуотсек емкости при этом должен быть дополнительно сообщен с обводнойтрубой прн помощи жнклера постоянного сечен ня.Подвижная игла кинематически соединенас датчиком давления в трубе,Подвижная стенка емкости может бытьсопряжена с пружиной, сжатой ц закрытомположении органа дросселнровання н установленной на подвнжной опоре, свяэаннрй сдополнительным датчиком давления в трубе.Мвханнзм уменьшения сечения трубыможет быть выполнен с гидравлическим;усилителем импульса перемещения подвижной стенки.,Оатчик перепада давлений может бытьвь)полнен в виде преобразователей давленияв электрические сигналы н соединен с органом дросселирования при помощи электронного контура управления его положением, апоследний может быть выполнен с возможностью подключения его к счетно-вычислительному устройству.На фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 орган дросселирования и механизм управления его положением; на фнг. 3 - вариантвыполнения механизма управления; на фиг.4 характеристика воздушной части турбокомпрессора н характеристики различных дросселнруюшнх средств; на фиг, 5- вариант выполнения органа дросселнрования н механизма управления его положением, обеспечивающий почти линейный закон изменения потери напора, зависящей от давления наддува; на фнг. 6 - зависимость площадя жиклера с подвижной иглой от давления наддува,на фиг, 7 - привод органа дросселированняс гидравлическим усилителем, на фиг, 8 -принципиальная схема органа дросселнрова579933 органов управления его положением. Одиниэ вариантов выполнения датчика и оргаЭнов управления показан на фиг, 2, Эти элементы представляют собой корпус и размещенный в его емкости пощпютый узел, связанный с рычагом 7 и состоящий из подвижных стенок, Подвижный узел состоит иэпоршня 13 (или диска) увеличенного диамечра и стенки поршня 14 малого диаметра,соединенных между ссбой тягой 15. Поршниделят емкость на три отсека, Поршень 13увеличенного диаметра образует в корпусеотсек 16, соединенный с участком трубы,заключенным между органом дросселирования и газоприемным патрубком турбокомпрессора. Торцовая поверхность поршня 14малого диаметра отделяет в корпусе отсек17, подсоединенный к участку трубы, заключенному между органом дросселирования ивоэдухонапорным патрубком турбокомпрессора, Заключенный между поршнями отсек 18емкости сообщен с атмосферой, в связи счем в нем устанавливается эталонное атмосферное давление РВ отсеке 17 расположена возвратнаяпружина 19, действующая в направлении увеличения проходного сечения оргайа дросселирования с усилием Р,Если обозначить через В и Б площадиторцовых поверхностей поршней 13 и 14,то потеря давления Р в органе дросселироввния определяется следующей математичесекой зависимостью: 5-6. УфР (8-8)ЬР= Р(2) 5ния и электронного контура управления егоуложением; на фиг. 9 - принципиальнаясхема органа дросселирования и электронного контура с корректировкой положенияВоргана дросселирования в зависимости от 5рабочих параметров двигателя; на фиг. 10 принципиальная схема запрограммированнойсистемы электрического регулирования наддува,используемая, в частности, в судовойустановке с винтом постоянного шага. 10Двигатель 1 внутреннего сгорания можетбыть четырэхтактнымспониженной степеньюсжатия (мейьше 12), но может быть и иного,в том числе и роторного,. типа и с любыминым значением степени сжатия. 15К его воздушному ресиверу 2 и выхлопному коллектору 3 подключен турбокомнрессор 4, газоприемный и воздухонапорный патрубки которого сообщены между собой припомощи обводной трубы 5. Э трубе жестко 20на оси установлена поворотная дроссельнаязаслонка 6 (орган дросселирования). Осьзаслонки при помощи рычага 7 соединена сдатчиком перепада давлений в органе дросселирования (варианты выполнения показань 1 25на фиг. 2, 3, 5 и 6).;Турбокомпрессор состоит иэ турбины 8и компрессора 9, расположенных на общемвалу. Со стороны всасывания воздуха вкомпрессор может быть установлен не показанный на чертеже пусковой электромоторс муфтой сцепления. Компрессор должениметь повышенную степень сжатия, превышающую 6, При необхоаиьюсти обеспеченияболее высокой степени сжатия (выше 10) 35компрессор может быть выполнен многоступенчатым и многокорпусным с промежуточным охлаждением,Дополнительная камера сгорания 10 питается топливом, поступающим из топливопровода 11 и обеспечивает повышение температуры газов, поступающих в турбину иэколлектора. Количество впрыскиваемого вкамеру топлива дозируется управляющей системой 12, не допускающей падения давления наддува ниже заданного значения. Приэтом обводной трубопровод постоянно открыт. во время работы и обеспечивает постоянную перетечку по нему воздуха, невсасываемого двигателем, в турбину, Поворотная дроссельная заслонка создает в трубопроводе сопротивление, потеря напора вкотором Ь Р = Р - Рз и основном пропорциональна давлению Р на выходе из компарессора и не зависит от расхода воздуха, э 5Орган дросселирования может быть выполнен также в виде иных уравновешенных устройств, например золотника или шибера,Орган дросселирования поаключен к аатчику 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 возаухонапорным пвтруб ком турбокомпрессора, то математическая зависимость изменится и примет вид: я У+Р 5ЬУ: - Р - -2 ЯУПри этом линейный закон изменения Ь Рсохранится, но до тех пор, пока расходбудет меньше величины, при которой обусловленная полным открытием дросселя величина Л Р становится избыточной.На фиг, Э плошааь поршней выполненаодинаковой, но поршень 14 возаействует наповоротную заслонку через более короткийрычаг,При увеличении перепваа давлений по обвстороны органа дросселироваиия, усилия,аействуюшие на поршни, поворачивают дроссельную заслонку в сторону увеличения проходного сечения, При уменьшении перепада7 давлений сечение трубы уменьшается. Таким образом, механизм управления положением органа дросселирования представляет собой механизм уменьшения сечения трубы при уменьшении перепада давлений. Минимальное б сечение трубы регламентируется характеристикой возвратной пружины 1 9.На фиг, 4 представлена граница помпажа Т, соответствующая характеристике напор-расход компрессора, Использование ли-дО нейной зависимости потери напора в органе дросселироввниядопускает две возможных линии совместной работы: характеристику С, расположенную далеко от границы помнажа и в зоне низких КПЙ компрессора,;5 харктеристику С 2, расположенную в зоне максимальных КПД компрессора, нр пересекающую границу помпажа,Для решения вытекающей из фиг, 4, дилеммы можно использовать вариант выполнМО ния предлагаемого устройства, представленный нв фиг. 5. Отсек 18 непосредственно соединен с участком трубы, заключенным между органом сросселирования и воздухонапорным патрубком, и давление в нем рав но давлению Р, С этим же участком трубы при помощи жиклера постоянного сечения 20 сообщен отсек 17, Кроме того, отсек 17 дополнительно сообщен с атмосферой при но- мощи жиклера 21, снабженного подвижной ВО иглой 22, Таким образом, отсек 17 практически объединен с резервуаром эталонного давления, изменяющегося в первом приближении в соответствии с зависимостью:35 - ФК - 2 о 2 или Р,ф Р Р,(1-нф,), где 5; и- площади жиклеров,К - коэффициент пропорциональ;- ности,В этих условиях потеря напора может быть определена из выражения: Р8 окончвтельнАР сС - у+аСечение Я или сечение Я 1 зависят от рабочих параметров двигателя, учитываемых при желании модифицировать коэффи О 8циенты линейного закона. На фиг. 5 жиклер 21 выполнен в аиде отверстия в жесткой коробке, а игла 22 спрофилированв и прикреплена к торцовой стенке сильфона 23, сообщенного с обводной трубой и выполняющего роль датчика давления в трубе. Профиль иглы и характеристика сильфонв 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 5, 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 3 зависит от давления Р 2 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) квк 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 на силовой поршень 30, управляющий через рычвг 7 закрытием органа дросселирования 6, Пружина 31 препятствует перекрытию сеченияПодвижный узел, может управлять не пропускным сечением тидроусилителя, а кагким 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 дросселирования 6, Электродвигатель 39 привода органа дросселирования устанавливается р уравновешенное положение всоответствии с выражением: 2 У Ь Эб =0 (М дР) 9 579933 10котарае и определяет потерю напорая- -ЬР=Ь-РКоэффициенты К и К в этомйррнзщниИ регулируются воздействием на сопротивления 36 и 37, где К - постоянная,Как было показано выше, нелинейный закон изменения ь Р может оказаться предпочтительным, Наиболее простым решением этой Капсула чувствительногь элемента 44задачи было бы воздействие на величину со- управляет потенциометром 45, сопротивлепротивлений 36 и 37 Могут быть и более ние которого вследствие этого пропорцио огут ыть и олеесложные цепи регулирования. В обшем случае 1 О нально отношению О /Р .усилители могут о еспечить лили ели могут обеспечить лкбой желатель- Потенциометры 42 и 45 Установлены воный закон передачи. В практических условиях входных контурах соответствующих рабочихдля этого может быть подключено счетно-вы- усилителей 46 и 47, которые воздействуют.числительное устройство, управляюшее поло на аналоговый мультипликатор 48, Ревержением органа дросселирования в зависим 1 х сивный мотор 49 перемешает одновременности. от первой входной величины, образован- шибер 40 и движок потенциометра 50, устаной давлением в обводном трубопровод; от новленного во входном контуре усилителявторой входной величины, отражаюшей соотно. Выходные напряжения усилителя 51 ишение между расходом через обводной трубомультипликатора 48 через дифференциалпровод и производительностью компрессора, Я ный Усилитель 52 поступают к мотору 49,Представленный на фиг, 9 электронный коиэта вторая величина может быть выведенатур управления положением органа дросселия а па амет ов двигателя).рования позволяет обеспечить требуемыйНа иг, 9 показан пример выполнениязакон изменения потери напора в зависимостист ойства, в котором орган дросселироваустройсР ор; от режима работы двигателя т,е, в частном,ния выполнен в виде шибера 40, управляеслучае, от расхода воздуха через обводнуюмого контуром, в котором одной входнойтрубу,величиной служит давление Р , а второйрасход воздуха Я через обводную трубу,Система привода может быть упрошенаБибер расположен в ячейке трубы. Можно-ф й 30 при наличии двух - или однозначной эависи-рассчитать профиль шибера и профиль яче -ки таким образом, чтобы сечение для про- мости между числом оборотов двигателя иположение шибера может определяться кон-ны полного открытия, по закону:З туром имекхпим форму открытой петли, един(3) ственный входной параметр которой определяется давлением Р, Это относится, в частности, к работе двигателя с постояннойгде би Р - константы, скоростью ( дизель-генераторная станция)Такой закон )изменениЯ облегчает Управ или в сл ае т ового га ля (дв а ляление, но обязательным не является.у которого произведение момент. на скоростьПотеря напора в таком устройстве в осне изменяется) или к двигателю, соединенновном пропорциональна квадРатУ отношения ному с винтом или насосом постоянного шамассового расхода к проходному сечению иопределяется выражением: ,4 В качестве примера такой упрощеннойсхемына фиг, 10 приведена электрическая(4) схема регулирования для судовой установки,Состав электронного контура сводитсяздесь к чувствительному ьлементу 53, реагде Я - является более или менее постоян-оо гирукхцему на изменение давления, воздейной .величиной. ствуюшему через усилитель 54 и привод 55Чувствительный к величине давления эле- на положение органа дросселирования 6,%мент 41 смешает .движок потенциометра 42,сопротивление которого вследствие этогоВсе рассмотренные варианты реализацииупропорционально давлению РИнформация " предлагаемого технического Решения поо расходе поступает из трубки Пито 43 че- своей компоновке отличаются от известныхреэ чувствительный элемент 44, Разница и основаны на использовании перепада давмежду статическим и динамическим давле- лений в качестве управляющего импульса иниями на выходе иэ трубки Пито определяет- на разделении функций дросселирования кся следуюшим выражением; функций управления,11 5799В результате этого предлагаемое устройство повышает устойчивость регулирования щ режима работы двигателя. лЮФормула изобретенияУстройство для наддува двигателя внутрен.него сгорания, содержащее подключенный квоздушному ресиверу и выхлопному коллектору турбокомпрессор, газоприемный я воздухопапорный патрубкн которого сообщены междуцсобой прн помощи обводной трубы и установ 3,ленного в ней,уравновешенного органа дросселнрований, подключенного к индикатору режи.маработы,отли чающеес я тем,что, с целью повышения устойчиВости регулированвя режима работы, индикатор выполнен в Виде датчика. перепада давлений и органе дросселирования., 2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ющ е е с я тем, что датчик перепада давлений выполнен в виде подввкной стенки, размещенной и емкостн между отсеками, подсоедянеавве к участкам трубы, отделеннымоднй оЪ.тугого органом дросселнровання, исоедннен с последним прн помощн механизма буменьщенпа сечения трубы при уменьшенииперепада давленнй,3. Устройство ио пп, 1-2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что один из отсеков емкостнподсоединен к участку трубы, заключенному ЗОмежду органом дросселирования я воздухонапорным патрубком, другой - к источникуэталонного давления, а к участку трубы,заключенному между органом дросселировання н газоприемным патрубком турбокомп 35рессора, подсоединен дополнительный отсекемкостй, образованный торцовой стенкой иприкрепленным к подвижной стенке дискомувелнченного .диаметра.4. Устройство по пп. 1-3, о т л и ч а ю-щ е е с я тем, что источник эталонногодавления выполнен в виде канала, сообщенного с атмосферой. 33 125. Устройство по пп. 1-3, о т л к ч а юе е с я тем, что источник эталонного давения выполнен в аиде резервуара, сообщенного с атмосферой прй помощи жнклера, снабженного подввкной иглой, а подсоединенный к нему отсек емкости дополнительно сообщен с обводной трубой прн помощи жнклера постоянного сечения.6, Устройство ио и. 3, о т л и ч а ющ е е с я тем, что подвижная игла квнематически соединена с датчиком давлення в трубе. 7. Устройство по пп, 1- 6, о т л н ч а ющ е е с я тем, что подввкная стенка емкости сопряжена с пружиной, сжатой прн закрытом положэннн органе дросселировання.8, Устройство по и, 7, о т. л н ч а ю - щ е е с я тем, что пружцна устаиавлена на подвижной опоре, связанной с донолннтельным датчиком давления в трубе.9, Устройство по и, 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что механизм уменьщення сечения трубы выполнен с гндравляческнм уснлптелем импульса перемещения подвижной стенки.10. 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 снгналы,в соединен с органом дросселнровання прн помощи електронного контура управления его положением 11. Устройство по п. 10, о т л и ч а Мщ е е с я тем,что электронный контур управления выполнен с воэможнос адью подвцочення к счетно-вычислительному устройству.Источннкн информации, принятые во внимание прн экспертизе:1. Патент США%3676999, кл. 60-13,1972,2. Патент Швейцарии й 565940,кл, г 02 В 37/00, 1975.