СИСТЕМА ТУРБОНАДДУВА ТЕПЛОВОЗНОГО ДВС С ДВУМЯ СТЕПЕНЯМИ РЕГУЛИРУЕМОГО НАДДУВА
TURBOCHARGING SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH TWO DEGREES OF CONTROLLED SUPERCHARGING

Система турбонаддува тепловозного ДВС с двумя степенями регулируемого наддува относится к области двигателестроения и может быть использована в тепловозных двигателях внутреннего сгорания с реактивной турбиной.
Известна система регулирования турбонаддува двигателя внутреннего сгорания путем подвода газов к рабочему колесу турбины с направляющего аппарата, в котором часть газов поступает через основной канал в направлении вращения рабочего колеса, а часть газов поступает через открытый клапан в дополнительный канал в обратном направлении вращения рабочего колеса, при этом с целью расширения диапазона регулирования турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, при повороте клапана на открытие дополнительного канала начинает закрываться основной канал и при повороте клапана на закрытие дополнительного канала начинает открываться основной канал (Патент RU №2009142905, МПК F02B 37/00, 27.05.2011).
Недостатком этой системы является ограниченная область применения в связи с тем, что перепускной клапан не способен регулировать (стабилизировать) давление наддува, эффективность достигается только при условии превышения давления сжатого в компрессоре воздуха над давлением выпускных газов перед турбиной турбокомпрессора, а закрытие перепускного клапана определяется уровнем давления наддува, которое существенно зависит от внешних условий эксплуатации тепловозного двигателя, что ограничивает область применения устройства.
Из известных наиболее близким по технической сущности является система турбонаддува тепловозного двигателя внутреннего сгорания, содержащая, по меньшей мере, один турбокомпрессор, подключенный через воздухонапорную магистраль и охладитель наддувочного воздуха к впускному ресиверу тепловозного двигателя внутреннего сгорания и через газоприемный патрубок реактивной газовой турбины к выпускному коллектору тепловозного двигателя внутреннего сгорания, линию перепуска части сжатого в компрессоре воздуха из воздухонапорной магистрали в реактивную газовую турбину турбокомпрессора через установленный в линии перепуска перепускной клапан, при этом линия перепуска соединена с участком проточной части реактивной газовой турбины между сопловыми лопатками и лопатками рабочего колеса, система турбонаддува снабжена электронным блоком управления перепускным клапаном, датчиками давления воздуха и давления газа, установленными соответственно на входе и выходе линии перепуска, датчиком частоты вращения коленчатого вала тепловозного двигателя внутреннего сгорания, которые связаны с электронным блоком управления перепускным клапаном (Патент RU №2449139 С1, МПК F02B 37/12, F02D 23/02, 24.04.2012).
Недостатками известной системы является отсутствие стабилизации давления в воздухонапорной магистрали и его регулирования на различных режимах работы и при различных условиях эксплуатации.
Техническим результатом изобретения является:
- повышение стабильности работы тепловозного двигателя внутреннего сгорания и улучшение его параметров за счет применения перепуска части сжатого в компрессоре воздуха через перепускной клапан в накопитель-ресивер с аккумулятором давления и далее на рабочее колесо с лопатками, установленное на валу турбокомпрессора, на котором дополнительно установлен электрический мотор-генератор, при этом аккумулятор давления обеспечивает стабилизацию давления во впускном рессивере и сглаживает скачки уплотнения воздуха;
- расширение зоны эффективной работы турбокомпрессора за счет применения электронного блока управления работой перепускного клапана и мотор-генератора, что повышает топливную экономичность двигателя и ведет к снижению токсичности вредных выбросов.
Это достигается тем, что в системе турбонаддува тепловозного двигателя внутреннего сгорания, содержащего турбокомпрессор, подключенный через воздухонапорную магистраль и охладитель наддувочного воздуха к впускному ресиверу тепловозного двигателя внутреннего сгорания и через газоприемный патрубок реактивной газовой турбины к выпускному коллектору двигателя, дополнительно введен накопитель-рессивер с аккумулятором давления, выполненным в виде цилиндра с подпружиненным поршнем, перепускной клапан и электронный блок управления, а в состав турбокомпрессора - мотор-генератор, при этом линия перепуска связывает накопитель-ресивер с полостью колеса подкрутки с лопатками, установленного на валу турбокомпрессора, на котором дополнительно установлен якорь электрического мотор-генератора, а воздухонапорная магистраль компрессора через перепускной клапан связана с полостью аккумулятора давления, управление перепускным клапаном и мотор-генератором осуществляют электронным блоком управления, к которому подключены датчики давления воздуха, установленные соответственно в воздухонапорной магистрали, аккумуляторе давления и улитке турбины, а также датчик частоты вращения коленчатого вала тепловозного двигателя внутреннего сгорания.
Система турбонаддува тепловозного ДВС с двумя степенями регулируемого наддува показана на фиг. 1. Она содержит турбокомпрессор 1, подключенный через воздухонапорную магистраль 2 и охладитель 3 наддувочного воздуха к впускному ресиверу 4 тепловозного двигателя внутреннего сгорания 5 и через перепускной клапан 14 к аккумулятору давления 17, а его турбина 7 через диффузор 12, газоприемный патрубок 6 и газопровод 8 к выпускному коллектору 24 двигателя 5, при этом линия перепуска 25 части сжатого в компрессоре воздуха связывает полость накопителя-рессивера 17 с полостью колеса подкрутки 18 с лопатками, установленного на валу турбокомпрессора 1, на котором дополнительно установлен электрический мотор-генератор 19, а управление перепускным клапаном 14 и мотор-генератором 19 осуществляется электронным блоком управления 15, к которому подключены датчики давления воздуха 16, 20 и 23, установленные в воздухонапорной магистрали 2, в корпусе аккумулятора давления 17 и в улитке турбины 7, а также датчик 21 частоты вращения коленчатого вала 22 ДВС 5.
Работает система следующим образом.
При запуске тепловозного двигателя внутреннего сгорания 5 электронный блок управления 15 включает электрический мотор-генератор 19, который вращает вал компрессора, создавая рабочее давление в воздухонапорной магистрали 2. Перепускной клапан 14 закрыт. Подкрутка вала компрессора осуществляется также при его работе в режиме холостого хода, частичных нагрузок или в высокогорной местности при снижении атмосферного давления. Причем электронный блок управления 15 постепенно снижает вращающий момент подкрутки электрическим мотор-генератором 19 при выходе ДВС 5 на расчетный режим работы.
На режиме холостого хода и малых нагрузках двигателя внутреннего сгорания 5 электронный блок управления 15 обеспечивает его работу с закрытым перепускным клапаном 14 при условии превышения соотношения между уровнями избыточного давления газа в улитке турбины, фиксируемого датчиком 23 над величиной давления в воздухонапорной магистрали, фиксируемого датчиком давления воздуха 16. С повышением нагрузки увеличивается расход выпускных газов через реактивную газовую турбину 7 турбокомпрессора 1, что приводит к изменению соотношения между величиной давления воздуха в воздухонапорной магистрали, фиксируемого датчиком давления воздуха 16 над значением давления газа, фиксируемым датчиком давления 23 в улитке турбины, и электронный блок управления 15 обеспечивает работу двигателя 5 с открытым перепускным клапаном 14.
При этом мощность реактивной газовой турбины 7 увеличивается за счет подачи дополнительного воздуха по линии перепуска 9, который поступает в накопитель-ресивер 17, где сохраняется резервная часть воздуха с повышенным давлением. После того как в накопителе-ресивере будет достигнуто установленное давление воздуха, он через трубопровод 25 поступает в полость рабочего колеса 18. Рабочее колесо 18 обеспечивает дополнительную подкрутку вала турбокомпрессора, увеличивая мощность реактивной газовой турбины 7. В случае быстрого нагружения газовой турбины 7, электронный блок 15 открывает перепускной клапан 14 и давление с накопителя-ресивера 17 поступает в воздухонапорную магистраль 2, стабилизируя рабочее давление в ресивере 4.
дв
двном
При дальнейшем повышении нагрузки тепловозного двигателя 5 электронный блок управления 15 по сигналу датчика 21 частоты вращения коленчатого вала 22 (n=0,9…0,95 n) двигателя внутреннего сгорания 5 закрывает перепускной клапан 14 и подача дополнительного воздуха на участок 9 в накопитель-ресивер 17 прекращается. В случае резкого изменения нагрузки тепловозного двигателя внутреннего сгорания 5 в меньшую сторону и отсутствия положительного перепада давлений в линии перепуска 9, электронный блок 15 закроет перепускной клапан 14, что исключит подачу дополнительного давления в воздухонапорную магистраль 2 тепловозного двигателя 5 внутреннего сгорания, а также в этом случае исключается дополнительная подкрутка турбокомпрессора рабочим колесом 18. При появлении положительного перепада давлений Р>0,01±0,05 МПа электронный блок 15 вновь откроет перепускной клапан 14, за счет чего часть сжатого воздуха будет аккумулироваться аккумулятором давления накопителем-ресивером, в результате чего стабилизируется давление во впускном ресивере 4, а также сократится время переходного процесса тепловозного двигателя внутреннего сгорания 5, что повышает надежность его работы и улучшает технико-экономические параметры. Повышение давления наддува способствует повышению коэффициента избытка воздуха, что приводит к более качественному протеканию рабочего процесса в цилиндрах двигателя 5 и, как следствие, повышению топливной экономичности, а также снижению токсичности вредных выбросов.
Предложенная конструкция позволяет обеспечить раскрутку турбокомпрессора при пуске и стабилизацию работы турбины на холостом ходу двигателя и частичных нагрузках.