ГАЗОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ТУРБОНАДДУВОМ (ВАРИАНТЫ)
TURBOCHARGED GAS-PISTON ENGINE (VERSIONS)

Изобретение относится к области газопоршневых двигателей внутреннего сгорания с турбонаддувом, работающих на газотепловозах, в частности к их регулированию на переходных режимах повышения нагрузки.
Известен газопоршневой двигатель, снабженный турбонаддувом и охлаждением наддувочного воздуха, системой перепуска выхлопных газов во впускной ресивер с байпасным каналом и клапанами перепуска части отработавших газов во впускной ресивер, минуя турбины турбокомпрессоров, многоканальной системой искрового зажигания, а также золотниковым устройством дозирования газа, подаваемого в двигатель (RU, патент 19877 U1, МПК F02B 43/00, 2002 г.).
Недостатком газпоршневого двигателя с турбонаддувом и охлаждением наддувочного воздуха является недостаточная приемистость при нагружении, связанная с инерционностью ротора турбокомпрессора, ухудшающаяся при перепуске части отработавших газов из коллектора выпускных газов в воздушный ресивер, минуя турбины турбокомпрессоров.
Известен газопоршневой двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом, снабженный турбокомпрессором, газовоздушным смесителем, охладителем газовоздушной смеси, регулирующей дроссельной заслонкой и электронным блоком управления подачей газовоздушной смеси, а также датчиком температуры отработавших газов, размещенным в выпускном коллекторе (RU, патент 62168 U1, МПК F02B 43/00, 43/06, 2006 г.).
Недостатком газопоршневого двигателя с турбонаддувом является недостаточная приемистость при нагружении, связанная с инерционностью ротора турбокомпрессора при отсутствии устройств, ускоряющих увеличение давления наддувочного воздуха и прием нагрузки при переходных процессах повышения мощности.
Известен восьмицилиндровый V-образный газопоршневой двигатель, содержащий системы подачи газа и воздуха, газовоздушный смеситель, турбокомпрессор, работающий на выпускных газах и оснащенный устройством регулирования давления наддува, охладитель надувочного воздуха, впускной коллектор - ресивер наддувочного воздуха, пульт микропроцессорной системы управления. Система подачи газа в двигатель выполнена эжекционной (RU, патент №28895 U1, МПК F02B 43/00, 2002 г.).
Недостатком данного газопоршневого двигателя с турбонаддувом является недостаточная приемистость на переходных режимах повышения нагрузки, а также усложненность конструкции турбокомпрессора применением устройства регулирования наддува.
Известен газопоршневой двигатель и способ подачи горючего газа в цилиндры двигателя, принятый за прототип изобретения, включающий крышки цилиндров, снабженные свечами зажигания газовоздушной смеси, газовоздушный ресивер, турбокомпрессор, работающий на выпускных газах газопоршневого двигателя, подводимых к сопловому аппарату турбины турбокомпрессора коллектором выпускных газов, трубопровод подвода газа к газопоршневому двигателю от емкости топливного газа, смеситель газа и наддувочного воздуха, электромагнитные клапаны газопроводов, электрически связанные с автоматизированным пультом управления режимами работы газопоршневого двигателя по заданным алгоритмам. Конструкция газопоршневого двигателя предусматривает подачу газового топлива как непосредственно в рабочие цилиндры двигателя, так и во впускной патрубок компрессора агрегата турбонаддува, в котором газ смешивается с наддувочным воздухом перед поступлением в цилиндры. Установлено определенное соотношение количеств газа, подаваемых указанными путями. (RU, патент 2319846 C1, МПК F02B 43/06, F02D 19/10, F02M 29/02, 2006 г.).
Недостатком газопоршневого двигателя является то, что его конструкция и реализуемый способ подачи топливного газа не сокращают продолжительность процессов повышения мощности при работе двигателя на переходных режимах, характерных для двигателей тепловозов при маневровой работе.
Техническим результатом изобретения является повышение приемистости газопоршневого двигателя - сокращение времени переходных процессов повышения мощности, которое повышает производительность тепловоза, оснащенного газопоршневым двигателем с турбонаддувом, при маневровой работе.
В первом варианте газопоршневого двигателя с турбонаддувом указанный технический результат достигается тем, что на газопоршневом двигателе, включающем крышки цилиндров, снабженные свечами зажигания газовоздушной смеси, турбокомпрессор, приводимый выпускными газами газопоршневого двигателя, газовоздушный ресивер, трубопровод подвода газовоздушной смеси к газовоздушному ресиверу от емкости топливного газа через электромагнитный клапан и газовоздушный смеситель, коллектор выпускных газов, автоматизированный пульт управления режимами работы газопоршневого двигателя, на коллекторе выпускных газов газопоршневого двигателя перед сопловым аппаратом турбины турбокомпрессора установлены одна или несколько газовых форсунок с соплами, открытыми в газовый канал коллектора выпускных газов, и свеча зажигания газа, газовые форсунки соединены с емкостью топливного газа газопроводом, снабженным электромагнитным клапаном, турбокомпрессор газопоршневого двигателя снабжен датчиком частоты вращения ротора турбокомпрессора, электромагнитные клапаны, датчик частоты вращения ротора турбокомпрессора и свеча зажигания газа электрически соединены с автоматизированным пультом управления режимами работы газопоршневого двигателя с турбонаддувом.
Во втором варианте газопоршневого двигателя с турбонаддувом указанный технический результат достигается тем, что на газопоршневом двигателе, включающем крышки цилиндров, снабженные свечами зажигания газовоздушной смеси, турбокомпрессор, приводимый выпускными газами газопоршневого двигателя, газовоздушный ресивер, трубопровод подвода газовоздушной смеси к газовоздушному ресиверу от емкости топливного газа через электромагнитный клапан и газовоздушный смеситель, коллектор выпускных газов, автоматизированный пульт управления режимами работы газопоршневого двигателя, газовоздушный ресивер и коллектор выпускных газов перед сопловым аппаратом турбины турбокомпрессора соединены между собой трубопроводом перепуска газовоздушной смеси из газовоздушного ресивера в коллектор выпускных газов, содержащим дроссель и нормально закрытый электромагнитный клапан, турбокомпрессор газопоршневого двигателя снабжен датчиком частоты вращения ротора турбокомпрессора, электромагнитные клапаны и датчик частоты вращения ротора турбокомпрессора электрически соединены с автоматизированным пультом управления режимами работы газопоршневого двигателя с турбонаддувом.
На фиг.1 схематично показан газопоршневой двигатель с турбонаддувом по первому варианту изобретения.
На фиг.2 схематично показан газопоршневой двигатель с турбонаддувом по второму варианту изобретения.
Газопоршневой двигатель 1 с турбонаддувом (вариант 1, фиг.1) снабжен крышками 2 цилиндров (на черт. не показаны), в которых установлены свечи 3 зажигания газовоздушной смеси в камерах сгорания (форкамерах) крышек 2 цилиндров, газовоздушным ресивером 4, соединенным с соответствующими каналами крышек 2 цилиндров патрубками 5. Газовоздушный ресивер 4 соединен с газовоздушным смесителем 6, который сообщен с воздушным нагнетательным патрубком турбокомпрессора 7, приводимого выпускными газами газопоршневого двигателя 1, и через электромагнитный клапан 8 соединен с емкостью 9 топливного газа. Электромагнитный клапан 8 электрически связан проводом 10 с автоматизированным пультом управления 11 режимами работы газопоршневого двигателя 1.
Коллектор 12 выпускных газов соединен выпускными патрубками 13 с крышками 2 цилиндров и соединен с корпусом 14 соплового аппарата турбины турбокомпрессора 7. На участке коллектора 12 выпускных газов между выпускными патрубками 13 крышек 2 цилиндров газопоршневого двигателя 1 и корпусом 14 соплового аппарата турбины перед сопловым аппаратом турбины турбокомпрессора 7 установлена одна или несколько газовых форсунок 15 с соплами, открытыми в газовый канал коллектора 12 выпускных газов, и свеча 16 зажигания газа. Газовые форсунки 15 соединены газопроводом 17, снабженным электромагнитным клапаном 18, с емкостью 9 топливного газа. Свеча 16 зажигания газа, электромагнитный клапан 18 и свечи 3 зажигания газовоздушной смеси в камерах сгорания (форкамерах) крышек 2 цилиндров газопоршневого двигателя 1 электрически соединены с автоматизированным пультом 11 управления режимами работы газопоршневого двигателя 1 проводами соответственно 19, 20 и 21. Турбокомпрессор 7 газопоршневого двигателя 1 снабжен датчиком частоты вращения ротора 22, электрически соединенным проводом 23 с автоматизированным пультом 11 управления режимами работы газопоршневого двигателя 1. В коллекторе 12 выпускных газов может быть установлен датчик 24 содержания кислорода в выпускных газах, электрически соединенный (на чертеже не показано) с автоматизированным пультом 11 управления режимами работы газопоршневого двигателя 1.
Газопоршневой двигатель 1 с турбонаддувом (вариант 2, фиг.2) снабжен крышками 2 цилиндров (на черт. не показаны), в которых установлены свечи 3 зажигания газовоздушной смеси в камерах сгорания (форкамерах) крышек 2 цилиндров, газовоздушным ресивером 4, соединенным с соответствующими каналами крышек 2 цилиндров патрубками 5. Газовоздушный ресивер 4 соединен с газовоздушным смесителем 6, который сообщен с воздушным нагнетательным патрубком турбокомпрессора 7, приводимого выпускными газами газопоршневого двигателя 1, и через электромагнитный клапан 8 соединен с емкостью 9 топливного газа. Электромагнитный клапан 8 электрически связан проводом 10 с автоматизированным пультом управления 11 режимами работы газопоршневого двигателя 1. Коллектор 12 выпускных газов соединен выпускными патрубками 13 с крышками 2 цилиндров и соединен с корпусом 14 соплового аппарата турбины турбокомпрессора 7. Свечи 3 зажигания газовоздушной смеси в камерах сгорания (форкамерах) крышек 2 цилиндров электрически соединены проводами 21 с автоматизированным пультом управления 11 режимами работы газопоршневого двигателя 1. Турбокомпрессор 7 газопоршневого двигателя 1 снабжен датчиком частоты вращения ротора 22, электрически соединенным проводами 23 с автоматизированным пультом 11 управления режимами работы газопоршневого двигателя 1, как и в варианте 1.
В отличие от варианта 1 в варианте 2 позиции 15-20 и 24 не используются, а газовоздушный ресивер 4 и коллектор 12 выпускных газов перед сопловым аппаратом турбины турбокомпрессора 7 соединены между собой трубопроводом 25 перепуска газовоздушной смеси, содержащим дроссель 26 и нормально закрытый электромагнитный клапан 27. Электромагнитный клапан 27 электрически соединен с автоматизированным пультом 11 управления режимами работы газопоршневого двигателя 1 проводом 28.
Газопоршневой двигатель с турбонаддувом (вариант 1) работает следующим образом.
При работе газопоршневого двигателя 1 на режиме постоянной мощности топливный газ из емкости 9 топливного газа под давлением проходит через открытый электромагнитный клапан 8 и смешивается в газовоздушном смесителе 6 с наддувочным воздухом, подаваемым турбокомпрессором 7 в газовоздушный смеситель 6. Газовоздушная смесь поступает по газовоздушному ресиверу 4 и патрубкам 5 в камеры сгорания (и форкамеры) крышек 2 цилиндров, где воспламеняется свечами 3 зажигания. Давление газов в цилиндрах газопоршневого двигателя 1 преобразуется в работу вращения коленчатого вала газопоршневого двигателя. Выпускные газы выходят по коллектору 12 выпускных газов, поступают через сопловой аппарат на лопатки турбины турбокомпрессора 7 и приводят во вращение ротор турбокомпрессора 7, чем осуществляется турбонаддув газопоршневого двигателя 1.
В начале перехода газопоршневого двигателя 1 на режим с более высокой мощностью, чем мощность на исходном режиме работы, в соответствии с заданным алгоритмом работы автоматизированного пульта 11 управления режимами работы газопоршневого двигателя 1 по проводам 20 подают сигнал на открытие электромагнитного клапана 18, и дополнительное количество топливного газа из емкости 9 топливного газа под давлением поступает к газовой форсунке 15 (или нескольким газовым форсункам) и далее через газовые сопла газовой форсунки 15 - в коллектор 12 выпускных газов перед сопловым аппаратом турбины турбокомпрессора 7, где воспламеняется вследствие работы свечи 16 зажигания и контакта с выпускными газами, содержащими остаточный кислород, и сгорает. Сгорание дополнительного количества топливного газа, поданного газовой форсункой 15 в полость коллектора 12 выпускных газов перед сопловым аппаратом турбины турбокомпрессора 7, повышает температуру и энергию газового потока, воздействующего на рабочие лопатки турбины турбокомпрессора 7, ускоряет разгон ротора турбокомпрессора 7 и повышение давления наддувочного воздуха, подаваемого турбокомпрессором 7 в газовоздушный смеситель 6, газовоздушный коллектор 4 и далее по патрубкам 5 в цилиндры газопоршневого двигателя 1, вследствие чего продолжительность переходного процесса повышения мощности газопоршневого двигателя 1 сокращается. В результате ускоренного повышения частоты вращения ротора турбокомпрессора 7 до заданной величины и соответствующего повышения давления наддувочного воздуха газопоршневой двигатель 1 выходит на режим повышенной мощности за меньшее время.
По сигналу датчика 22 частоты вращения ротора турбокомпрессора 7 о достижении заданной частоты вращения ротора, передаваемому по проводу 23 на автоматизированный пульт 11 управления режимами работы газопоршневого двигателя 1, электромагнитный клапан 18 автоматически закрывают, подача дополнительного газового топлива через форсунку (форсунки) 15 в коллектор 12 выпускных газов прекращается и газопоршневой двигатель 1 продолжает работать на установившемся режиме повышенной мощности.
Датчик 24 содержания кислорода в выпускных газах, установленный в коллекторе 12 выпускных газов и электрически соединенный с пультом 11 управления режимами работы газопоршневого двигателя с турбонаддувом, блокирует открытие электромагнитного клапана 18 в случае недостатка кислорода в выпускных газах, поступающих по коллектору 12 выпускных газов на сопловой аппарат турбины турбокомпрессора 7, и тем предотвращает попадание топливного газа в атмосферу и ухудшение экологических качеств газопоршневого двигателя. При каждом повышении мощности газопоршневого двигателя 1 вышеприведенные процессы повторяются.
Газопоршневой двигатель с турбонаддувом (вариант 2) работает следующим образом.
На режимах постоянной мощности работа газопоршневого двигателя 1 с турбонаддувом обоих вариантов осуществляется одинаково, как в варианте 1.
В начале перехода газопоршневого двигателя 1 с турбонаддувом (вариант 2) на режим с более высокой мощностью, чем мощность на исходном режиме работы, в соответствии с заданным алгоритмом работы автоматизированного пульта 11 управления режимами работы газопоршневого двигателя 1 по проводу 10 подают сигнал на увеличение открытия электромагнитного клапана 8 и по проводу 28 на открытие электромагнитного клапана 27, в результате чего газовоздушная смесь из ресивера 4 поступает к дросселю 26, который ограничивает расход газовоздушной смеси, и далее через электромагнитный клапан 27 в коллектор 12 выпускных газов перед входом в сопловой аппарат турбины турбокомпрессора 7, где газовоздушная смесь воспламеняется вследствие контакта с выпускными газами и сгорает. Сгорание дополнительного количества газовоздушной смеси, поданного через трубопровод 25 в полость коллектора 12 выпускных газов перед сопловым аппаратом турбины турбокомпрессора 7, повышает температуру и энергию газового потока, воздействующего на рабочие лопатки турбины турбокомпрессора 7, ускоряет разгон ротора турбокомпрессора 7 и повышение давления наддувочного воздуха, подаваемого турбокомпрессором 7 в газовоздушный смеситель 6, газовоздушный коллектор 4 и далее по патрубкам 5 в цилиндры газопоршневого двигателя 1, вследствие чего продолжительность переходного процесса повышения мощности газопоршневого двигателя 1 сокращается. В результате ускоренного повышения частоты вращения ротора турбокомпрессора 7 до заданной величины и соответствующего повышения давления наддувочного воздуха газопоршневой двигатель 1 выходит на режим повышенной мощности за меньшее время.
При завершении переходного процесса повышения мощности по сигналу датчика 22 частоты вращения ротора турбокомпрессора 7 о достижении заданной частоты вращения в соответствии с алгоритмом работы автоматизированного пульта управления 11 режимами работы газопоршневого двигателя 1 закрывают электромагнитный клапан 27 перепуска газовоздушной смеси из ресивера 4 в коллектор 12 выпускных газов на вход в сопловой аппарат турбокомпрессора 7. Газопоршневой двигатель 1 продолжает работу на режиме повышенной мощности. При каждом повышении мощности газопоршневого двигателя 1 вышеприведенные процессы повторяются.
В результате в обоих вариантах достигается сокращение времени переходных процессов повышения мощности, повышается эффективность работы газопоршневого двигателя с турбонаддувом на переходных режимах.