СИСТЕМА ТУРБОНАДДУВА ТЕПЛОВОЗНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
TURBOCHARGING SYSTEM OF DIESEL LOCOMOTIVE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в системах турбонаддува тепловозных двигателей внутреннего сгорания с реактивной турбиной.
Известна система регулирования давления наддува двигателя внутреннего сгорания за счет изменения пропускной способности перепускного устройства, установленного в линии перепуска между магистралями подачи сжатого воздуха с выхода компрессора на вход в двигатель и подачи выпускных газов на вход газоприемного патрубка газовой турбины (Дехович Д.А. «Улучшение внешней характеристики двигателя 16ЧН26/26 путем регулируемого перепуска воздуха из компрессора в турбину», ж. Энергомашиностроение, 1971 г., №6, с.37-39).
Недостатком известной системы является ограниченная область применения в связи с тем, что работа перепускного клапана эффективна 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.
Известна система турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, принятая за прототип, содержащая по меньшей мере один турбокомпрессор, подключенный через воздухонапорную магистраль к впускному ресиверу двигателя и через газоприемный патрубок турбины - к выхлопному коллектору двигателя, линию перепуска сжатого воздуха из воздухонапорной магистрали в газоприемный патрубок турбины и установленный в линии перепуска перепускной клапан, управляющая полость которого связана с воздухонапорной магистралью через импульсную линию; система снабжена источником тока, электропневматическим вентилем и двумя реле давления с разными уставками по величине превышения давления наддува над давлением отработавших газов, причем электропневматический вентиль установлен в импульсной линии и связан электрической цепью с источником тока через два реле давления, а оба реле установлены последовательно, первое из них выполнено нормально разомкнутым и второе - нормально замкнутым, в электрическую цепь параллельно с вторым реле включено распределительное устройство в виде нормально разомкнутого реле и подсоединенного к нему датчика температуры окружающей среды (SU, авторское свидетельство №1661465, кл. F02B 37/12, F02D 23/02, опубл. в 1991 г.).
Недостатками известной системы являются:
- попадание выпускных газов после турбины во впускной коллектор на переходных режимах, что снижает надежность работы двигателя и ухудшает его параметры;
- ограничена зона эффективной работы (не ниже 40% нагрузки), что снижает эффективность применения этой системы турбонаддува.
Техническим результатом изобретения являются:
- повышение надежности работы тепловозного двигателя внутреннего сгорания и улучшение его параметров за счет применения перепуска части сжатого в компрессоре воздуха через перепускной клапан к участку проточной части реактивной газовой турбины между сопловыми лопатками и лопатками рабочего колеса;
- расширение зоны эффективной работы за счет применения электронного блока управления работой перепускного клапана, что повышает топливную экономичность двигателя и ведет к снижению токсичности вредных выбросов.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе турбонаддува тепловозного двигателя внутреннего сгорания, содержащей 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 выхлопному коллектору тепловозного двигателя внутреннего сгорания, линию перепуска части сжатого в компрессоре воздуха турбокомпрессора из воздухонапорной магистрали в реактивную газовую турбину турбокомпрессора и установленный в линии перепуска перепускной клапан, линия перепуска соединена с участком проточной части реактивной газовой турбины между сопловыми лопатками и лопатками рабочего колеса и 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, что обеспечивает улучшение статических и динамических параметров тепловозного двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом при его работе на частичных нагрузках за счет повышения давления наддува в рабочем диапазоне известной системы турбонаддува тепловозного двигателя внутреннего сгорания и введения электронного управления работой перепускного клапана.
На чертеже изображена система турбонаддува тепловозного двигателя внутреннего сгорания.
Система турбонаддува тепловозного двигателя внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один турбокомпрессор 1, подключенный через воздухонапорную магистраль 2 и охладитель 3 наддувочного воздуха к впускному ресиверу 4 тепловозного двигателя внутреннего сгорания 5 и через газоприемный патрубок 6 реактивной газовой турбины 7 к выхлопному коллектору 8 тепловозного двигателя внутреннего сгорания 5, линию перепуска 9 части сжатого в компрессоре воздуха 10 турбокомпрессора 1 из воздухонапорной магистрали 2 в участок 11 проточной части реактивной газовой турбины 7 турбокомпрессора 1 между сопловыми лопатками 12 и лопатками 13 рабочего колеса и установленный в линии перепуска 9 перепускной клапан 14. Перепускной клапан 14 соединен с электронным блоком 15 управления, который связан с датчиком 16 давления воздуха и датчиком 17 давления газа, установленными соответственно, на входе и выходе линии перепуска 9 для управления перепускным клапаном 14 по разнице их сигналов, и который связан с датчиком 18 частоты вращения коленчатого вала 19 тепловозного двигателя внутреннего сгорания 5 для своевременного закрытия перепускного клапана 14.
Система турбонаддува тепловозного двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.
дв
дв
двном
Система турбонаддува работает в зависимости от разности давлений воздуха, сжатого в компрессоре 10, выпускных газов перед реактивной газовой турбиной 7 турбокомпрессора 1 (ΔP) и частоты вращения коленчатого вала 19 (n), причем, открытие перепускного клапана 14 обеспечивается при ΔP≥0,02±0,01 ати, а закрытие по величине частоты вращения коленчатого вала 19 в пределах n=0,9…0,95 n от номинальной частоты вращения, что повышает надежность работы двигателя 5 и улучшает его параметры, независимо от внешних условий.
дв
двном
При работе тепловозного двигателя внутреннего сгорания 5 на режимах запуска, холостого хода и малых нагрузках электронный блок 15 обеспечивает его работу с закрытым перепускным клапаном 14 при условии превышения уровня избыточного давления, фиксируемого датчиком 17 давления газа над величиной давления, фиксируемого датчиком 16 давления воздуха. С повышением нагрузки увеличивается расход выпускных газов через реактивную газовую турбину 7 турбокомпрессора 1, что приводит к превышению величины давления, фиксируемого датчиком 16 давления воздуха над значением, фиксируемым датчиком 17 давления газа, и электронный блок 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 в участок 11 проточной части реактивной газовой турбины 7 между сопловыми лопатками 12 и лопатками 13 рабочего колеса реактивной газовой турбины. Увеличение мощности реактивной газовой турбины 7 приводит к увеличению частоты вращения ротора турбокомпрессора 1 и, следовательно, к повышению давления наддува в рабочем диапазоне системы турбонаддува. При дальнейшем повышении нагрузки тепловозного двигателя 5 электронный блок 15 управления, по сигналу датчика 18 частоты вращения коленчатого вала 19 (n=0,9…0,95 n) двигателя внутреннего сгорания 5, закрывает перепускной клапан 14 и подача дополнительного воздуха на участок 11 проточной части реактивной газовой турбины 7 прекращается.
В случае резкого изменения нагрузки тепловозного двигателя внутреннего сгорания 5 и отсутствия положительного перепада давлений в линии перепуска 9, электронный блок 15 закроет перепускной клапан 14, что исключит попадание выпускных газов в воздухонапорную магистраль 2 тепловозного двигателя 5 внутреннего сгорания. При появлении положительного перепада давлений ΔP≥0,02±0,01 ати электронный блок 15 вновь откроет перепускной клапан 14, за счет чего уменьшится время разгона реактивной турбины 7 турбокомпрессора 1, в результате сократится время переходного процесса тепловозного двигателя внутреннего сгорания 5, что повышает надежность работы и улучшает его 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.