Устройство комбинированного наддува для автомобильного двигателя

Полезная модель относится к двигателестроению, а в частности к системам газотурбинного наддува бензиновых двигателей внутреннего сгорания.
Основной областью применения устройств наддува являются бензиновые двигатели внутреннего сгорания с турбонаддувом в составе транспортных средств.
Для повышения приемистости двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом применяются различные схемы по снижению инерционности роторов турбокомпрессоров, установка нескольких турбокомпрессоров, различные системы перепуска, а также применение приводных компрессоров для повышения давления наддува на низкой частоте вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания. Данную задачу возможно решить за счет применения газового ресивера, из которого подается сжатый газ в выпускной коллектор, за счет чего повышается частота вращения турбокомпрессора и растет давление наддува. Представленное решение позволяет эффективно использовать работу двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом в составе транспортного средства на режиме принудительного холостого хода при торможении.
Из уровня техники известен турбокомпрессор (US 2014/0182286 А1, 03.07.2014) который входит в состав системы подачи сжатого воздуха в выпускной коллектор дизельного двигателя с турбонаддувом. Система состоит из воздушного ресивера, электрического компрессора, клапана подачи воздуха в выпускной коллектор. При начале движения транспортного средства открывается клапан подачи воздуха в выпускной коллектор, за счет чего повышается частота вращения ротора турбокомпрессора и возрастает давление наддува. К недостаткам представленной системы следует отнести необходимость электрического привода воздушного компрессора, который питается от бортовой сети транспортного средства, что приводит к повышению расхода топлива.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является патент на изобретение RU 2638254 С2, 12.12.2017, который описывает снижение запаздывания турбонагнетателя в двигателе с наддувом. В нем раскрыт резервуар наддува, соединенный с двигателем, который может быть заряжен сжатым всасываемым воздухом и или подвергнутыми сгоранию выхлопными газами. Находящийся под давлением заряд затем может быть выпущен при нажатии педали акселератора во впускной или выпускной коллектор.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- низкие массогабаритные характеристики ресивера ввиду необходимости использования ресивера большого объема из-за максимального давления в нем ограниченного давлением наддува компрессора или давлением отработавших газов перед турбиной;
- отсутствие какого-либо механизма для перекрытия выпускного тракта двигателя для повышения максимального давления в ресивере;
- система не может быть использована для рекуперации энергии газов при движении на принудительном холостом ходу;
- снижение коэффициента наполнения двигателя за счет подачи на впуск либо воздуха с повышенной температурой, либо смеси воздуха и отработавших газов;
- увеличение коэффициента остаточных газов в цилиндре при подаче смеси воздуха и отработавших газов на впуск.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на разработку компактного устройства наддува, сокращающего время запаздывания турбокомпрессора в двигателе внутреннего сгорания с наддувом, а также позволяющего эффективно использовать работу двигателя внутреннего сгорания в составе транспортного средства на режиме принудительного холостого хода при торможении.
Технический результат заключается в сокращении времени запаздывания турбокомпрессора автомобильного двигателя внутреннего сгорания с наддувом.
Технический результат достигается тем, что устройство наддува для автомобильного двигателя, содержащее турбокомпрессор, соединенный компрессорной частью с дроссельной заслонкой и воздушным фильтром, газовый ресивер, соединенный с выпускной магистралью, блок управления двигателем, соединенный с датчиком давления, причем устройство наддува содержит газовый ресивер с аварийным клапаном давления, на корпусе которого располагается высокотемпературная трехходовая заслонка с электроприводом, установленная вразрез выпускной магистрали двигателя внутреннего сгорания так, что первый выход соединен с турбинной частью турбокомпрессора, второй выход соединен с внутренним объемом газового ресивера, а третий выход подключен к выпускной магистрали двигателя внутреннего сгорания, заслонка имеет электропривод с управлением от блока управления устройством наддува, соединенным с датчиком давления, позволяющим измерять давление в газовом ресивере.
Конструкция устройства наддува также имеет следующие дополнительные отличия:
- высокотемпературная трехходовая заслонка с электроприводом выполнена с проходным сечением равным выпускной магистрали двигателя внутреннего сгорания для снижения сопротивления отработавшим газам;
- аварийный клапан давления газового ресивера, выполнен с возможностью при превышении максимального давления в газовом ресивере стравливать лишний воздух в атмосферу;
- устройство наддува содержит обводной электромагнитный клапан, который устанавливается вразрез впускной магистрали двигателя внутреннего сгорания и выполнен с возможностью пропускать воздух в двигатель в обход дроссельной заслонки для снижения сопротивления при наполнении газового ресивера сжатым воздухом при работе на принудительном холостом ходу.
Полезная модель иллюстрируется тремя чертежами, на которых представлена структурная схема устройства наддува (фиг. 1), структурная схема работы устройства наддува (фиг. 2), структурная схема рабочих положений высокотемпературной трехходовой заслонки с электроприводом (фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5).
Устройство наддува 1 состоит из турбокомпрессора 2, компрессорная часть 3 которого предназначена для подключения в систему впуска двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС) после дроссельной заслонки и соединенного турбинной частью 4 с первым выходом высокотемпературной трехходовой заслонки с электроприводом 5, расположенной на корпусе газового ресивера 6, второй выход высокотемпературной заслонки с электроприводом 5 соединен с внутренним объемом ресивера 6, в котором имеется аварийный клапан 7 и датчик давления 8, а третий выход высокотемпературной заслонки с электроприводом 5 предназначен для подключения к выпускной магистрали ДВС 9, обводного электромагнитного клапана 10, расположенного на корпусе газового ресивера 6 и соединяющего впускную магистраль ДВС (после воздушного фильтра 11 и перед дроссельной заслонкой 12) с ДВС, блока управления устройством наддува 13, соединенного каналами управления с высокотемпературной заслонкой с электроприводом 5, датчиком давления 8, обводного электромагнитного клапана 10 и имеющим вывод на блок управления двигателем 14.
Схема работы устройства наддува представлена на фиг. 2-5, и работает следующим образом: при работе на рабочем режиме двигателя внутреннего сгорания 9 высокотемпературная трехходовая заслонка с электроприводом 5 занимает первое положение (фиг. 3), в котором отработавшие газы идут напрямую к турбине 4 турбокомпрессора 2. При снижении частоты вращения двигателя внутреннего сгорания 9 и перевода его в режим работы принудительного холостого хода посредством блока управления двигателем 14 пропадает управляющий сигнал от топливных форсунок (не указаны на рисунке) тем самым блок управления устройством наддува 13 дает команду на привод высокотемпературной трехходовой заслонки с электроприводом 5 и переводит ее во второе положение (фиг. 4), в котором выпускная магистраль ДВС 9 соединяется только с внутренним объемом газового ресивера 6, а также открывает обводной электромагнитный клапан 10, тем самым пропуская воздух, очищенный фильтром 11, мимо дроссельной заслонки 12 в двигатель внутреннего сгорания 9, который начинает работать в режиме компрессора и накачивает воздух в ресивер 6 до тех пор пока, либо не поступит сигнал с датчика давления 8 о том, что необходимое давление достигнуто, либо двигатель внутреннего сгорания 9 достиг частоты вращения, при которой возобновляется процесс топливоподачи. При возобновлении процесса топливоподачи блок управления устройством наддува 13 дает команду на привод высокотемпературной трехходовой заслонки с электроприводом 5 и переводит ее в первое положение (фиг. 3), в котором ресивер 6 не соединен с выпускной магистралью двигателя внутреннего сгорания 9, а отработавшие газы идут напрямую в турбину 4 турбокомпрессора 2 и на закрытие обводного электромагнитного клапана 10. В таком случае газовый ресивер 6 наполнен сжатым воздухом и закрыт от выпускной магистрали высокотемпературной трехходовой заслонкой с электроприводом 5, при дальнейшем снижении частоты вращения (например, при торможении транспортного средства) происходит переход работы двигателя внутреннего сгорания 9 на режим холостого хода. Если максимально допустимое давления сжатого воздуха в газовом ресивере 6 не достигнуто, о чем сигнализирует датчик давления 8, то алгоритм накачивания воздуха двигателем 9 в газовый ресивер 6 повторяется при следующем переходе ДВС 9 на режим принудительного холостого хода. При повышении нагрузки на двигатель внутреннего сгорания 9 (например, при разгоне транспортного средства) блок управления устройством наддува 13 получает сигналы от блока управления двигателем 14 и если определяет, что мощность двигателя внутреннего сгорания 9 недостаточна, то дает команду на привод высокотемпературной трехходовой заслонки с электроприводом 5 и переводит ее в третье положение (фиг. 5), в котором газовый ресивер 6 соединен с выпускной магистралью двигателя внутреннего сгорания 9, а отработавшие газы идут напрямую в турбину 4 турбокомпрессора 2, за счет этого в выпускную магистраль подается сжатый воздух из газового ресивера 6 под высоким давлением. После кратковременной подачи сжатого воздуха блок управления устройством наддува 13 дает команду на перевод высокотемпературной трехходовой заслонки с электроприводом 5 в первое положение (фиг. 3). За счет кратковременной подачи сжатого воздуха происходит повышение давления в выпускной магистрали и кратковременно увеличивается мощность на валу турбокомпрессора 2, за счет чего растет давление наддува, что приводит к увеличению мощности и частоты вращения двигателя внутреннего сгорания 9, что в свою очередь увеличивает температуру, расход и давление отработавших газов, которые обеспечивают необходимую мощность на валу турбокомпрессора 2 без помощи сжатого воздуха из газового ресивера 6. При очередном переходе двигателя внутреннего сгорания 9 на режим принудительного холостого хода алгоритм повторяется. Блок управления устройством наддува 13 не влияет на работу бока управления двигателем внутреннего сгорания 14 и его алгоритм работы.
Особенность данного устройства наддува заключается в возможности полного перекрытия выпускной магистрали двигателя внутреннего сгорания до турбокомпрессора, посредством высокотемпературной трехходовой заслонки с электроприводом, за счет чего обеспечиваются высокие значения давления сжатого воздуха в ресивере и эффективно используется энергия газов при работе двигателя на режиме принудительного холостого хода. При этом устройство наддува не оказывает отрицательного влияния на наполнение цилиндров двигателя, т.к. ресивер никак не связан с процессом смесеобразования топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя.