Газовый двигатель с наддувом

Газовый двигатель с наддувом
F02B 43/00 F02M 21/02
Полезная модель относится к области двигателестроения, в частности, к двигателям с наддуБОМ, используемым на транспортных средствах и в качестве привода для стационарных агрегатов. Дизелестроительные заводы переходят преимущественно на выпуск дизелей с наддувом (обычно с турбокомпрессорами (ТКР) без устройств регулирования давления наддува), так как без наддува невозможно выполнить ужесточающиеся требования по вредным выбросам и одновременно обеспечить достижение высокой удельной мощности, высокой экономичности и малой удельной массы. Одним из наиболее эффективных способов рещения проблемы улучщения экологических и экономических показателей дизелей является перевод их на газообразное топливо с применением искрового зажигания. Запасы, в частности, природного газа в России составляют около 1/3 мировых разведанных запасов. Известен восьмицилиндровый V-образный газовый двигатель (свидетельство на полезную модель РФ № 19877, МПК F02B 43/00, опубл. 10.10.2001) конвертированный из дизеля на питание природным газом, с турбонадцувом, охлаждением надз очного воздуха, системой центральной подачи газа под давлением и микропроцессорными системами искрового зажигания и управления. Двигатель имеет меньшее шумоизлучение и требует меньщих затрат на горюче-смазочные материалы, а по содержанию окислов азота в отработавших газах позволяет выполнить нормы ЕВРО-5 без применения нейтрализатора. Недостатками выщеописанного газового двигателя являются сложность изготовления, настройки и обслуживания системы подачи газа под давлением и микропроцессорной системы управления, что снижает надежностьдвигателяв эксплуатации. В ряде регионов это может быть причиной недостаточного спроса на такие двигатели. Задачей полезной модели является упрощение конструкции газового двигателя с сохранением мощностных, экономичных и экологических показателей, что позволит значительно снизить стоимость его изготовления, повысить надежность в эксплуатации и увеличить спрос на рынке страны. Поставленная задача решается тем, что у восьмицилиндрового Vобразного газового двигателя, содержащего системы подачи газа и воздуха, газовоздушный смеситель, регулирующий орган, выполненный в виде дроссельной заслонки и микропроцессорную систему управления углом опережения зажигания, система подачи газа выполнена эжекционной, в тракте подачи газовоздушной смеси, между газовоздушным смесителем и впускным коллектором установлены, по меньшей мере, один турбокомпрессор (ТКР) и охладитель. Регулирующий орган располагается на участке между охладителем и впускным коллектором и имеет управление, которое осуществляется с помощью электрического двигателя или механическим приводом. Для транспортного варианта турбокомпрессор (ТКР) снабжен устройством регулирования давления наддува которое обеспечивает требуемый запас крутящего момента, а также имеется устройство поддержания устойчивых оборотов холостого хода с байпасным каналом подачи газовоздушной смеси во впускной коллектор. Для стационарного варианта имеется система поддержания постоянных оборотов независимо от нагрузки, при этом двигатель может быть снабжен газогенератором, дросселем, компрессором, емкостью для аккумулирования излишков генераторного газа, управляемыми клапаном и краном. Благодаря эжекционной системе подачи газа, в которой диффузор газовоздушного смесителя располагается до компрессора (компрессоров) ТКР, а дроссельная заслонка помещена после компрессора (компрессоров) ТКР, возможно, без применения специальной системы регулирования количества газа, требующей установки датчиков давления, температуры. 2 положения газового клапана, получить состав смеси во всем диапазоне режимов работы транспортного двигателя в оптимальных пределах, обеспечивающих как стабильную работу двигателя, так и минимизацию выбросов оксидов азота. Расположение дроссельной заслонки после компрессора (компрессоров) TICP предотвращает подсос масла из масляной полости ТКР на режимах частичного открытия дроссельной заслонки, на которых на участке трубопровода между входом в компрессор (компрессоры) ТКР и дроссельной заслонкой создается глубокий вакуум. Микропроцессорная система зажигания имеет число силовых каналов равное числу цилиндров двигателя, управляет искрообразованием, корректирует угол опережения зажигания и зшравляет электро-клапаном байпасного канала, обеспечивающего стабильность минимальных оборотов холостого хода при максимально прикрытом дросселе в случае приложения к двигателю ограниченной нагрузки, связанной с включением гидромуфты (в случае гидромеханической трансмиссии), кондиционера, освещения и т.д., а также осуществляет защиту двигателя. На двигатель устанавливаются индивидуальные для каждого цилиндра катушки зажигания непосредственно на свечу зажигания или вблизи свечи, при этом свеча с катушкой соединяются коротким высоковольтным приводом. Двигатель имеет два варианта исполнения. Газовый двигатель с регулируемым турбонаддувом по первому варианту предназначен для транспортных средств, коммунальных и строительно-дорожных машин. На газовом двигателе применена центральная эжекционная система подачи газа, 3-х ступенчатая система редуцирования давления газа с подогревом газа до или в первой стзшени редуцирования и близким к атмосферному давлением после редуктора третьей ступени, микропроцессорная система управления зтлом опережения зажигания, регулируемый наддув с одним или более турбокомпрессорами (ТКР) и ; охладитель газовоздушной смеси. При этом в состав двигателя может входить устройство поддержания устойчивых оборотов холостого хода с байпасным клапаном подачи смеси. Устройство регулирования наддува может иметь пневмомеханический, гидромеханический или электромеханический привод клапана (клапанов) перепуска части выпускных газов, минуя турбину (турбины) ТКР, при этом алгоритм управления обеспечивает необходимое снижение давления наддува для достижения заданного запаса крутящего момента. В случае первых двух вариантов привода отпадает необходимость в электронном блоке управления клапанами, в  3-го варианта 5шравление клапанами может осуществляться по одному из каналов микропроцессорной системы управления углом опережения зажигания. На фиг. 1 представлена принципиальная схема газового двигатель с наддувом по первому варианту. Двигатель содержит: редуктор высокого давления 1, 2-х ступенчатый редуктор низкого давления 2, дозатор газа 3, трубопровод подвода газа 4, газо-воздущный смеситель 5, ТКР 6 с устройством регулирования давления наддува (на Фиг.1 не показано), охладитель смеси 7, регулирующий орган 8, микропроцессорный блок 9, датчик оборотов 10, датчик фазы 11, датчик положения дроссельной заслонки 12, катущки зажигания 13, байпасный канал 14 и электро-клапан 15. Газовый двигатель работает следующим образом: газ из емкостей для хранения (на Фиг.1 не показаны) через редуктор высокого давления 1, обогреваемый охлаждаюпщм агентом системы охлаждения двигателя, поступает в 2-х ступенчатый редуктор низкого давлевмя 2 и через дозатор 3 подается по трубопроводу 4 в газо-воздущный смеситель 5, где происходит смещение газа с воздухом, поступающим от воздупшого фильтра (на Фиг.1 не показан). Далее газо-воздущная смесь поступает в ТКР 6, где происходит сжатие смеси и, через охладитель 7 и регулирующий орган 8, подается во впускной коллектор двигателя. Затем смесь поступает в цилиндры двигателя, где происходит ее воспламенение от искрового разряда в свече зажигания. О Управлениепроцессом искрообразования и корректировку угла опережения зажигания осуществляет микропроцессорный блок 9, получающий информацию о скоростном и нагрузочном режимах работы двигателя от датчиков оборотов 10, фазы 11 и положения дроссельной заслонки 12, и подающий управляющий сигнал на катушки зажигания 13. Для регулирования давления наддува используются как встроенные в ТКР клананы, так и клапаны установленные на дополнительную перепускную магистраль (на Фиг. 1 не показана), которые управляются пневмомеханическим, гидромеханическим или электромеханическим приводом. В случае электромеханического привода зшравление осуществляет микропроцессорный блок 9 по информации от датчиков оборотов 10 и положения регулирующего органа 12. Для обеспечения стабильности минимальных оборотов холостого хода при максимально прикрытом дросселе в случае приложения к двигателю ограниченной нагрузки, связанной с включением гидромуфты (в случае гидромеханической трансмиссии), кондиционера и т.д. по байпасному каналу 14, минуя регулирующей орган 8, во впускной коллектор дополнительно подается газо-воздущная смесь. Дозирование необходимого количества дополнительно поданной смеси регулирует электро-клапан 15, управление которым осуществляет микропроцессорный блок 9. Регулирование качества газо-воздущной смеси на режиме холостого хода осзтцествляется подбором затяжки пружины клапана второй ступени редуктора низкого давления. На рабочих режимах регулирование качества смеси достигается за счет регулировки системы редуцирования, в частности, подбора пружин клапанов 2-х ступенчатого редуктора низкого давления, их затяжки и величины проходного сечения в дозаторе, установленном на выходе из полости 2-й ступени редуктора низкого давления. Для двигателя другой модели и размерности регулировка редуктора низкого давления, жесткости пружин клапанов второй и третьей ступени, их затяжка, величина проходного сечения дозатора, значения оптимального угла опережения зажигания, размерность ТКР и настройка устройства регулирования давления наддува подбираются индивидуально таким образом, чтобы обеспечить поддержание оптимального состава смеси при коэффищиенте избытка воздуха в диапазоне а  1,4 - 1,7 на всех режимах работы двигателя, и необходимый запас крутящего момента. Газовый двигатель с наддувом по второму варианту предназначен для стационарного применения, например как привод электрогенератора, имеет все элементы газового двигателя по первому варианту, кроме устройства для управления давления наддува и байпасного канала с электро-клапаном и содержит автоматическую систему поддержания постоянных оборотов двигателя, независимо от нагрузки. Предусмотрено применение для питания двигателя не только природного или сжиженного газа, но и генераторного газа. Потребность в применении таких двигателей ощущается во многих регионах страны, в которых имеются органические отходы, например, деревообрабатывающей промыщленности. В этом случае добавляется газогенератор и система утилизации излиппсов генераторного газа, так как производительность газогенератора на ряде режимов может быть больще расхода газа двигателем. Автоматическая система поддержания постоянными оборотов двигателя включает в себя электродвигатель с приводом, управляемый микропроцессорным блоком, и регулирующий орган, выполненный в виде дроссельной заслонки эллиптического типа или имеющий специальную конструкцию (Льотко В., Лз санин В.П., Хачиян А. С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания.-М.: МАДИ(ТУ), 2000. -стр.252.), при которой осевое усилие и поворотные моменты, действующие на заслонку, близки к нулю. Применение регулирующего органа специальной конструкции позволяет уменьщить перестановочное усилие исполнительного механизма. установлены: редуктор высокого давления 1, редуктор низкого давления 2, дозатор 3, трубопровод 4, газо-воздупшый смеситель 5, ТКР 6, охладитель смеси 7, регулирующий орган 8 (вариант с дроссельной заслонкой), микропроцессорный блок 9, датчик оборотов 10, датчик фазы 11, датчик положения дроссельной заслонки 12, катушки зажигания 13, переключатель режимов работы двигателя 14, электродвигатель 15, привод 16. Газовый двигатель работает следуюпщм образом: газ из емкостей для хранения (на Фиг.2 не показаны) через редуктор высокого давления 1, обогреваемый охлаждающим агентом системы охлаждения двигателя, поступает в 2-х ступенчатый редуктор низкого давления 2 и через дозатор 3 по трубопроводу 4 подается в газо-воздущный смеситель 5, где происходит смещение газа с воздухом, поступающим от воздущного фильтра (на Фиг.2 не показан). Далее газо-воздупшая смесь постзшает в ТКР 6, где происходит сжатие смеси и, через охладитель 7 и регулирующий орган 8, подается во впускной коллектор двигателя. Затем смесь поступает в цилиндры двигателя, где происходит ее воспламенение от искрового разряда в свече зажигания. Микропроцессорный блок 9 получает информацию об изменениях режима работы двигателя и величины внещней нагрузки от ваттметра (на Фиг.2 не показан), датчиков оборотов 10, фазы 11, положения 12 регулирующего органа и от переключателя режимов работы 14, и вырабатывает сигналы для искрообразования и корректировки угла опережения зажигания, управляя катущками зажигания 13, а в режиме нагрузки обеспечивает поддержание постоянными оборотов двигателя, управляя электродвигателем 15, который через привод 16 изменяет положение регулирующего органа 8. В этом варианте стационарного газового двигателя регулирование качества газо-воздущной смеси на режиме холостого хода осуществляется подбором затяжки пружины клапана второй стзшени редуктора низкого давления. На рабочих режимах, при изменении нагрузки, необходимый Ч расход природного газа и состав смеси обеспечиваются за счет регулировки системы редуцирования, в частности, подбора пружин клапанов 2-х ступенчатого редуктора низкого давления, их затяжки и величины проходного сечения в дозаторе, установленном на выходе из полости 2-й ступени редуктора низкого давления, а поддержание постоянных оборотов двигателя обеспечивается за счет подбора алгоритма управления регулирующего органа. Для двигателя другой модели и размерности регулировка редуктора низкого давления, жесткости пружин клапанов второй и третьей ступени, их затяжка, величина проходного сечения дозатора и алгоритм управления регулирующим органом подбираются индивидуально таким образом, чтобы обеспечить поддержание оптимального состава смеси при коэффициенте избытка воздуха в диапазоне а  1,4 - 1,7 и постоянных оборотов на всех режимах работы двигателя. На фиг. 3 показана схема газового двигателя с наддувом для стационарного применения при работе на газогенераторном газе. Двигатель имеет все элементы стационарного газового двигателя работающего на природном газе и дополнительно содержит газогенератор 17, клапан дозирования газа 18, дроссель 19, компрессор 20, емкость 21, кран 22, датчик давления 23 и обводной канал 24. Двигатель работает следующим образом: газ, вырабатываемый генератором постоянной производительности 17, через клапан 18 и дроссель 19 подается в газо-воздущный смеситель 5, где происходит смешение с воздухом. Далее газо-воздзтпная смесь сжимается в компрессоре (компрессорах) ТКР 6 и через охладитель 7 и регулирующий орган 8 поступает во впускной коллектор и далее в цилиндры двигателя. Здесь смесь воспламеняется искрой, момент подачи которой управляется микропроцессорным блоком 9. клапан 18 поступает в компрессор 20 и закачивается им в емкость (емкости) 21. При полном заполнении емкости (емкостей) газ через кран 22 может направляться к другим потребителям (система отопления, обеспечение горячей водой и т.д.), а в периоды, когда газогенератор, по тем или иным причинам, не работает подаваться в двигатель. При подачи газа в двигатель, в случае, когда избыточное давление (АРг) в емкости (емкостях) 21 выше 12 атм, газ, через кран 22 поступает в редуктор высокого давления 1, затем в 2-х ступенчатый редуктор низкого давления 2 и через дозатор 3, по трубопроводу 4 подается в газо-воздушный смеситель 5. Когда избыточное давление (АРг) в емкости (емкостях) 21 ниже 12 атм, газ, от крана 22 по обводному каналу 23 сразу подается в 2-х ступенчатый редуктор низкого давления 2 и через дозатор 3, по трубопроводу 4 подводится к газо-воздушному смесителю 5. Микропроцессорный блок 9 получает информацию об изменениях режима работы двигателя и величины внешней нагрузки от ваттметра (на Фиг.З не показан), датчиков оборотов 10, фазы 11, положения 12 регулируюш;его органа, переключателя режимов работы 14, давления 24 и вырабатывает сигналы для искрообразования и корректировки угла опережения зажигания, управляя катушками зажигания 13, в режиме нагрузки обеспечивает поддержание постоянными оборотов двигателя, управляя электродвигателем 15, который через привод 16 изменяет положение регулируюш,его органа 8, управляет клапаном 18, пускомостановкой компрессора 20 и краном 22. При изменении нагрузки автоматически изменяется расход газа благодаря изменению разряжения в диффузоре, при этом состав смеси устанавливается подбором диаметров проходных сечений дозатора 3 и дросселя 19, и за счет подбора пружин клапанов 2-х стзттенчатого редуктора низкого давления и их затяжки. закачивается в емкость (емкости) 21, а из нее через клапан 18 направляется
к дополнительным источникам. При остановленном газогенераторе питание двигателя может в течение определенного времени осуществляться газом, аккумулированы в емкости (емкостях) 21. Предложенная схема позволяет избежать сжигания излишков газа в открытом факеле, как это нередко делается.
Для двигателя другой модели и размерности регулировка редуктора низкого давления, жесткости пружин клапанов второй и третьей ступени, их затяжка, величина проходных сечений дросселя и дозатора, алгоритм управления регулирующим органом подбираются индивидуально таким образом, чтобы обеспечить поддержание оптимального состава смеси при коэффициенте избытка воздуха в диапазоне а  1,4 - 1,7 и постоянных оборотов на всех режимах работы двигателя.
10