Комбинированный двигатель внуиреннего сгорания и способ его работы

УО 46 ОпИСАЙИЕИЗОБРЕТЕНИ Союз Советских Социалистических РеспубликТЕНТУ Г 02 В 37/04 б 1) Дополнительный ате 22) Заявлено 28,03,75 (21) 2125635/25-06 23) П итет - (32) 29.03,7 Государственный комите СССР по делам изобретений1) 7411012 (ЗЗ) Франция Опубл овано 30.06.79, Бюллетень24 1,43,05288.8) ткрытий ата опубликования описания 30.06.7 72) Автор изобретения Иностранец Жан Мельшиор(Франция) Иностранная фирма Эта Франсэ, репрезанте пар ле Де Министерьель пур Л Армеман(54) КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕ СГОРАНИЯ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫИзобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, а именно к устройствам для наддува двигателя внутреннего сгорания.Известны комбинированные двигатели внутреннег 6 сгорания, содержащие турбокомпрессор с дополнительной камерой сгорания, сообщенный через газоприемный патрубок турбины с выходом дополнительной камеры сгорания и выхлопным коллек тором двигателя, а через воздухонапорный патрубок компрессора с входом дойолнительной камеры и впускным ресивером двигателя, механизм газораспределения с впускными и выпускными клапанами и 15 дроссель переменного сечения, размещенный на входе ресивера двигателя и подключенный к управляющему устройству 11.Способ работы известных двигателей включает в себя осуществление наддува от 20 турбокомпрессора, изменение расхода воздуха через ресивср при помощи дросселя переменного сечения и подачу в цилиндры двигателя отработавших газов из выхлопчого коллектора в смеси с продуктами сго рания из дополнительной камеры во время запуска двигателя. Отработавшие газы через ресивер попадают в цилиндры, что не позволяет полностью использовать их тепло для прогрева стенок цилиндров.Цель изобретения - облегчение и ускорение запуска путем максимального использования внутренней энергии отработавших газов и продуктов сгорания.Для достижения поставленной цели управляющее устройство снабжено датчиками давления воздуха в воздухонапорном патрубке, числа оборотов двигателя и температуры воздуха на вхбде вкомпрессор,а выход дополнительной камеры сгорания подключен к выхлопному коллектору.При запуске дизеля в течение периода перекрытия клапанов создают разрежение во впускном ресивере при помощи дросселя переменного сечения и подают продукты сгорания из дополнительной камеры и отработавшие газы - через выхлопной коллектор в цилиндры и в ресивер двигателя,В этом случае рециркуляция осуществляется из коллектора в цилиндры, а затем во впускной ресивер,На фиг.схематично показан предлагаемый двигатель с частичным разрезом; на фиг, 2, 3 и 4 - варианты выполнения дви3гателя (для упрощения часть газоприемного патрубка турбины, турбина и соединительный вал между нейи компрессором не , изображены); на фиг. 5 дан график изменения давлений.Двигатель 1 внутреннего сгорания содержит турбокомпрессор, состоящий из турбины 2 и компрессора 3, соединенных между собой при помощи вала 4. Газоприемный патрубок 5 турбины сообщен с выходом 6 дополнительной камеры 7 сгорания и с выхлопным коллектором 8 двигателя, Воздухонапорный патрубок 9 компрессора сообщен с входом 10 дополнительной камеры сгорания и с впускным ресивером 11 двигателя на входе, в который установлен дроссель переменного сечения в виде дроссельной заслонки 12, подключенной к управляющему устройству 13. Двигатель снабжен впускными 14 и выпускными 15 клапанами с приводом от механизма газораспределения (не показан), обеспечивающего перекрытие клапанов, охватывающее предпочтительно конец такта выхлопа и начало такта впуска для каждого цилиндра. Дополнительная камера сгорания оснащена системой 16 подачи топлива и перед ее воздушным входом установлен дроссель 17, Турбокомпрессор содержит пусковой привод 18. Двигатель также должен быть снабжен стартером,Подключенное к дроссельной заслонке управляющее устройство имеет подвижной поршень 19, перемещающийся в цилиндре 20 под действием пружины 21 и давления воздуха, распространяющегося из воздухонапорного патрубка по импульсному каналу 22, выполняющему функцию датчика давления. Для изменения силы давления, действующего на поршень, в поршне предусмотрено сквозное отверстие 23 малого диаметра. Усилие пружины суммируется с давлением воздуха в подпоршневой полости цилиндра, для чего эта полость сообщена с атмосферой через жиклер 24 переменного сечения, сечение которого меняется в прямой зависимости от температуры воздуха на входе в компрессор по импульсу датчика 25 температуры, и через жиклер 26, сечение которого меняется в обратной зависимости от оборотов двигателя по импульсу датчика 27 числа оборотов. С этой целью цилиндр 20 соединен с одной стороны с емкостью 28, в которой расположен жиклер 24, с которым взаимодействует игла 29, перемещаемая датчиком 25 температуры, выполненным в виде сильфона, а с другой стороны - с второй емкостью 30, снабженной жиклером 26, в котором перемещается игла 31.Управляющее устройство (фиг, 2) снабжено датчиком давления в ресивере 11 и реагирует на перепад давлений по обе стороны дроссельной заслонки, т. е, на перепад давлений между впуском и выхлопом,4и не реагирует на абсолютное значение давления Р, воздуха в воздухонапорном патрубке компрсссора. Управление дроссельной заслонкой 12 рассчитано на поддержание заданного перепада давлений по обе стороны заслонки до достижения заданного граничного значения давления Р, после чего дроссельная заслонка постепенно открывается. Заслонка приводится в движение сервомеханизмом 32. Этот механизм содержит поршень 33, перемещающийся в цилиндре 34 и подвергающийся воздействию противоположно направленных усилий пружины 35 и силы давления рабочей среды, заполняющей рабочую камеру 36 цилиндра через жиклер 37 постоянного сечения при помощи насоса 38 (например, шестеренчатого насоса, снабженного тарированным клапаном). Давление в рабочей камере 36 зависит от положения двух жиклеров 39 и 40 переменного сечения, позволяющих регулировать возврат рабочей среды в резервуар через трубопроводы 41 и 42. Проходное сечение жиклера 40 регулируется при помощи следящего органа 43, связанного с датчиками температуры и давления наддува (импульсным каналом 22), Поршень 44 следящего органа скользит в цилиндре 45 и связан с иглой 46, изменяющей сечение жиклера 40. На этот поршень с одной стороны действует сила давления Р, создающегося в камере 47, сообщенной с воздухонапорным патрубком компрессора при помощи импульсного канала 22 и при помощи жиклера 48 с подпоршневой полостью, соединенной с жиклером 24, управляемым датчиком 25 температуры, а с другой стороны - усилие возвратной пружины 49 и давление Рв 4 О камере 50, зависящее от соотношения сечений жиклеров 25 и 48 и от давления Р.Проходное сечение жиклера 39 определяется следящим органом 51. Игла 52 соединена с поршнем 53, перемещающимся в цилинд ре 54 под действием разности давлений Ря(давление на выходе из выхлопного коллектора двигателя) и суммарного усилия, состоящего из силы упругости пружины 55 и силы давления перед впускным клапаном двигателя.На фиг. 3 представлен вариант релейного управления дроссельной заслонкой. Для этого дроссельная заслонка приводится поршнем 56, перемещающимся в цилиндре 57 в сторону закрытия заслонки против действия возвратной пружины 58 за счет давления жидкости, развиваемого насосом 38, таким же, как и в варианте, представленном на фиг. 2. Между насосом и цилинд ром установлен распределитель 59 с золотником 60, перемещающимся в цилиндре 61 под действием перепада давлений между полостями, ограниченными его торцами, Первая из этих полостей соединена с импульс ным каналом (датчиком давления) 22, а5вторая при помощи сквозного отверстия 23 связана с первой полостью и при помощи канала 62 с жиклером 24, управляемым датчиком 25 температуры. Золотник взаимодействует с пружиной 63 и снабжен проточкой, поочередно соединяющей подпоршневую полость цилиндра 57 либо с насосом 38, либо со сливной трубой 64.Дроссельная заслонка 12, размещенная на входе в ресивер двигателя, предназначена для того, чтобы при своем перекрытии создавать перепад давления воздуха по ходу его движения от компрессора в ресивер до такого уровня, что при запуске двигателя между давлением в выхлопном коллекторе 8 и давлением в ресивере 11 возникает разность давлений, обеспечивающая циклическое поступление продуктов сгорания дополнительной камеры сгорания 7 через рабочие цилиндры 65 двигателя в ресивер. При этом происходит подогрев стенок цилиндров, повышается температура заряда, в результате чего обеспечиваются условия для воспламенения топлива при его впрыске. Управление положения дроссельной заслонкой для создания условий воспламенения топлива осуществляется при помощи управляющего устройства. Если объем выхлопного коллектора 8 и патрубков слишком велик, то газы, рециркулирующие за счет обратной продувки, будут поступать не из дополнительной камеры сгорания, а из соседних цилиндров 65, требуемьй результат достигнут не будет и двигатель 1 может заглохнуть, всасывая вновь свои продукты сгорания.Для устранения этого недостатка целесообразно, как показано на фиг. 4, исключить выхлопной коллектор и объединить отдельные выхлопные патрубки цилиндров на стороне выпуска отработавших газов из дополнительной камеры сгорания, образовав общий резервуар. Более точно, объем газов, рециркулирующих за счет обратной продувки, должен превышать объем выпускного патрубка каждого цилиндра для того, чтобы обеспечить попадание в цилиндр продуктов сгорания этой камеры.Перед запуском двигателя давление Р, в воздухонапорном патрубке компрессора 9 равтто нулю. Под действием пружины 21 подвижной поршень 19 смещен в крайнее правое положение., и дроссельная заслонка 12 перекрывает вход в ресивер. После того как при помощи пускового привода 18 приводят во вра 1 цение турбокомпрессорную группу и путем подачи топлива в дополнительную камеру 7 сгорания обеспечивают автономную работу этой группы, давление в выхлопном коллекторе 8 двигателя становится вьппе атмосферного, а в ресивере 11 ,лвпгатсля, перекрытом заслонкой, возникает разрежение. В период перекрытия впускных 14 и выпускных 15 клапанов двигателя газы из выхода дополнительной камеры 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 6сгорания подсасываются в рабочие цилиндры 65 двигателя, обеспечивая подогрев стенок и увеличение температуры заряда. По мере увеличения давления Р, и распространения этого давления по импульсному каналу 22 поршень 19 смещается влево, сжимая пружину, и проходное сечение, образуемое дроссельной заслонкой 12, увеличивается и достигает максимальной величины, начиная с некоторого граничного давления, которое достаточно для обеспечения условий воспламенения спрыскиваемого топлива в конце такта сжатия. Точка отбора давления для воздействия на поршень может быть расположена в любой точке воздушного тракта, посколькч значения давлений связаны между собой. Давление в подпоршневой полости цилиндоа 20, с ммирующееся с усилием прлкины 21 и противодействующее усилию давления Ръ будет также возрастать, однако закон его изменения зависит от соотношения между сечением сквозного отверстия 23 в поршне и сечением жиклера 24 переменного сечения, Так как сечение последнего зависит от положения иглы 29, связанной с датчиком 25 температуры, то степень открытия дроссельной заслонки 12 зависит от значения температуоы окружающей среды. Чем ниже температура, тем меньше сечение жиклера, тем более должно быть давление Р, для открытия заслонки. Кроме того, на давление в подпоршневой полости цилиндоа 20 влияет сечение жиклера 26 с иглой 31. Чем выше число оборотов двигателя, тем больше сечение жиклера 26, тем больше открытие дооссельной заслонки 12.Таким образом, во впускном ресивере двигателя создается давление Ргь которое при запуске и при ма,лых мощностях ниже давления в выхлопном коллекторе Р, обеспечивающее в момент перекрытия клапанов в каждом цилиндое подсос газов из дополнительной камеры сгорания, После того как давление Р возрастет до заданного поедельного значения, дооссельная заслонка 12 полностью открывается, и двигатель работает в обычном оежиме. Это заданное поедельное значение будет зависеть от темпепатуоы на входе в компрессор и от числа обооотов.Положение дроссельной заслонки может быть дополнительно связано с разрежением между оесивеоом и вьхлопным коллектооом Гфиг. 21. Поршень 33, управляющий положением заслонки, перемешается под действием давления жидкости в подпоршневой полости цилиндпа 34, Если зафиксировать следящий орган 43, то проходное сечение. создаваемое заслонкой, будет зависеть от пеоемец 1 ений иглы 52, связанной с порппем 53, положение которого зависит от разности давлений в впускном оесивере Р и в выхлопном коллекторе Р,. Поршень находится в равновесии, когда перепад дав5 1 О 15 20 25 зо 35 40 45 50 55 60 лений Р 8 - Рц равен усилию пружины 55, деленному на площадь поршня, Если разрежение в ресивере слишком мало, т. е. давление Р, слишком велико, то проходное ссчецце жиклера увеличивается, и давление в иодпоршцевой полости падает, что приводит к смещению поршня вниз и откпытию заслонки. Следяиий орган 43 позволяет смещать рабочий диапазон следящего органа 51. На поршень 44 следящего органа 43 действуют противоположно направлен ыс усилия, создаваемые ца одном из его торцов давлением Р,7 и на втором - давлсцием Р.-о и усилием пружины 55. В этом варианте давление Р,; равно давлению Р; а давление Ро вьппе атмосферного, цо ниже давления Р;так как полость 50 сообщена с атмосферой через жиклер 24 и с воз,тгхопапорцым патрбком через жиклер 48. Перепад давлений Р;, - Р по обе стороны поршня постепенно возрастает по мере у величения давления наддува, т. е. по мере увеличения мощности двигателя, поршень перемещается и увеличивает проходное сечение жиклера переменного сечения. Прн этом давление рабочей камеры 36 уменьшается и дроссельная заслонка поворачивается в сторону открытия. Тогда включается следящий орган 51 и обеспечивает необходимый перепад давлений Р 8 - Рдо тех пор, пока следящий орган 7 не станет на упор. После этого проходное сечение жиклера 40 увеличивается до тех пор, пока дроссельная заслонка 12 не будет открыта полностью, В этом случае заданное значение Р, определяется давлением, при котором слсдящий орган 51 станет на упор.Заданное значение достигается тем быстрее, чем быстрее увеличивается проходное сечение жиклера 40, т. е, ниже давление в камере 50. Кроме того, это давление зависит от жиклера 24, проходное сечение котопого связано с датчиком температуры.На фиг. 5 показано изменение давлений Р 7 и Р,о и Р 8 - Р в функции давления наддува Р,. Граничное значение, начиная с которого дроссельная заслонка не участвует в работе, обозначено через Р,.Дополнительная камера сгорания установлена на ходу газов выше выхлопного коллектора, что обеспечивает попадание в цилиндры ее горячих продуктов сгорания,Порядок запуска двигателя при любом из описанных выше вариантов одинаков. Пусковым приводом 18 запускают турбокомпрессорную группу и при помощи системы 16 подачи топлива - дополнительную камеру 7 сгорания, выполняющую функцию подогревателя рабочего тела до температуры, обеспечивающей автономную работу турбокомпрессорной группы, Используя дроссельную заслонку 12, устанавливают минимальную величину проходного сечения таким образом, что в момент запуска д. цгателя обеспечивается возврат продуктов сгорания из дополнительной камеры сгорания через цилиндры в ресивер в количестве, необходимом для запуска. Затем стартером запускают двигатель,Скорость вращения турбокомпрессорцой группы поддерживают выше определенного за,данного значения, включая режим холостого хода и малые нагрузки, и при помо-, щи дроссельной заслонки 12 создают упомянутый выше перепад давлений, позволяющий создать условия для воспламенения топлива,Основное преимущество изобретения состоит в том, что оцо позволяет значительно (ца 100 - 200% ) снизить количество топлива, расходуемого для достижения турбокомпрессорной группой необходимого давления,Форм ул а изобретения1. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания, содержащий турбокомпрессор с дополнительной камерой сгорания, сообщенной через газоприемный патрубок турбины с выходом дополнительной камеры сгорания и выхлопным коллектором двигателя, а через воздухонапорный патрубок компрессора с входом дополнительной камеры сгорания и впускным ресивером двигателя, механизм газораспределения с впускным и и выпускными клапанами и дроссель переменного сечения, размещенный ца входе в впускной ресивер двигателя и подключенный к управляющему устройству, отличающийся тем, что, с целью облегчения и ускорения запуска путем максимального использования внутренней энергии отработавших газов и продуктов сгорания из дополнительной камеры, управляющее устройство снабжено датчиками давления воздуха в возд хонапорном патрубке, числа оборотов двигателя и температуры воздуха на входе в компрессор, а выход дополнительной камеры сгорания подключен к выхлопному коллектору.2, Способ работы двигателя по п. 1 путем осуществления наддува от турбокомпрессора, изменения расхода воздуха через впускной ресивер при помощи дросселя переменного сечения и подачи в цилиндры двигателя отработавших газов из выхлопного коллектора и продуктов сгорания - из дополнительной камеры во время запуска двигателя, отличающийся тем, что, в течение периода переключения клапанов создают разрежение во впускном ресивере при помощи дросселя переменного сеченияи подают продукты сгорания из дополнительной камеры и отработавшие газы - через выхлопной коллектор в цилиндры и в ресивер двигателя,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США3775971, кл. 60 - 13,опубл. 1973.ПодписиР Заказ 1528/16 Изд.420 Тираж 628 ЦНИИПИ НПО Поиск Государственного комитета С по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5