УСТРОЙСТВО УПРАВЛЯЕМОГО ТУРБОНАДДУВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
CONTROLLED TURBOCHARGED INTERNAL COMBUSTION ENGINE DEVICE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, работающих с управляемым турбонаддувом.
Управление турбонаддувом в общем случае позволяет обеспечить оптимизацию функционирования двигателя внутреннего сгорания во всех режимах работы, повысить надежность путем снижения механических и тепловых перегрузок, в частности, при увеличении давления на выходе компрессора выше предельно допустимого вследствие резкого закрытия дроссельной заслонки или значительного увеличения числа оборотов двигателя. Кроме того, одной из важных задач управления турбонаддувом является минимизация эффекта «турбоямы» - явления, при котором давление воздуха во входном коллекторе двигателя значительно ниже требуемого вследствие инерции нарастания давления выхлопных газов в турбине при резком нажатии на педаль акселератора. Для достижения заданного давления газов требуется некоторое время (обычно единицы секунд), в течение которого двигатель, в штатном режиме работающий с турбонагнетателем, работает как обычный двигатель атмосферник, что приводит к потере мощности и негативно сказывается при разгоне автомобиля.
Известно устройство с управляемым турбонаддувом (патентная заявка US 2015/0240706 А1), согласно которому впуск турбины турбонагнетателя соединен с ее выпуском через перепускной клапан, что позволяет регулировать скорость вращения турбины при снижении числа оборотов двигателя, когда турбина совместно с компрессором продолжает вращаться по инерции, что может привести к генерированию избыточного объема наддувочного воздуха. В отсутствие перепускного клапана надувочный воздух может накапливаться во впускном тракте на отрезке между компрессором и дроссельной заслонкой, что может привести к разрушению таких элементов двигателя, как крыльчатка компрессора, ось турбонагнетателя, трубопровод охладителя и дроссельная заслонка.
Однако в данном техническом решении энергия отработанных газов используется неэффективно вследствие сброса отработанных газов в атмосферу при снижении числа оборотов двигателя. Кроме того, в данной патентной заявке решение проблемы снижения эффекта «турбоямы» не представляется возможным и даже приводит к его усугублению, так как открытие перепускного клапана приводит к снижению скорости вращения турбины, и соответственно, увеличивает время выхода ее на номинальный режим при нажатии педали акселератора
Известны устройства с управляемым турбонаддувом (патент RU 2535468, патентная заявка US 2014/0069096 А1), в которых выход компрессора через специальный байпасный клапан сообщен с его входом, что позволяет направить излишний сжатый воздух на вход компрессора. Такое решение, помимо снижения давления на входе дроссельной заслонки, обеспечивает нахождение сжатого воздуха в пределах впускной системы, что, в некоторой степени, снижает эффект «турбоямы», не допуская резкого снижения скорости вращения крыльчатки компрессора при снижении числа оборотов двигателя.
Однако байпасный клапан не может обеспечить эффективную защиту указанных выше узлов двигателя от перегрузок, а работает как своеобразный амортизатор, смягчая динамический удар по оси турбонагнетателя. Кроме того, движение повторно сжатого воздуха по замкнутому контуру приводит к увеличению температуры конструктивных элементов впускной системы и температуры подаваемого в двигатель воздуха.
Известны устройства с управляемым турбонаддувом (патентная заявка US 2014/015042 А1, патент US 8406983), в которых для преодоления эффекта «турбоямы» используется несколько различных по размеру турбин. При этом, в зависимости от числа оборотов двигателя, выхлопные газы направляются в определенную турбину. Однако такое решение является конструктивно сложным и снижает общую надежность устройства.
Известны устройства управляемого турбонаддува (патент RU 2425991, патент RU 2426896 и патентную заявку US 2013/0152583 А1), в которых эффект «турбоямы» преодолевается посредством автоматической регулировки степени турбонаддува путем изменением геометрии лопаток турбины по соответствующим командам блока управления. Недостатком таких устройств является недостаточная надежность функционирования, обусловленная ресурсным износом подвижных деталей, вследствие чего возникают чрезмерные люфты и появляется нагар, откладывающийся в исполнительном механизме и нарушающем подвижность его деталей.
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является устройство с управляемым турбонаддувом (US 2012/0186249 А1), которое содержит турбонагнетатель, имеющий турбину, впуск которой соединен с выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания, и компрессор, вход которого сообщен с воздушным фильтром, а выход сообщен со входом охладителя, выход которого сообщен с каналом подачи наддувочного воздуха с установленной в нем дроссельной заслонкой, перепускной клапан, установленный между выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания и выпуском турбины, байпасный клапан, установленный между входом охладителя и входом компрессора, накопитель наддувочного воздуха, сообщенный с входным коллектором двигателя внутреннего сгорания, и блок управления, информационные входы которого электрически связаны с датчиками, установленными на входах компрессора и дроссельной заслонки, на входном коллекторе, блоке цилиндров и выходном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, управляющий вход блока управления подключен к датчику акселератора, а управляющий выход подключен к дроссельной заслонке.
В известном техническом решении для функционирования накопителя наддувочного воздуха устройство содержит специальные конструктивные элементы: воздушный фильтр, компрессор, охладитель и клапан, установленный на входе накопителя наддувочного воздуха.
Данное устройство обеспечивает защиту элементов двигателя от избыточного давления наддувочного воздуха, а также осуществляет управление наддувочным воздухом во входном коллекторе двигателя, и, как следствие, повышение динамики управления режимом работы двигателя, при котором сокращается время реакции режима работы двигателя на управляющее воздействие, например нажатие педали акселератора.
Управление потоком наддувочного воздуха, поступающим во входной коллектор двигателя, осуществляется блоком управления по сигналам датчиков температуры и давления, установленных на входном и выходном патрубках, блоке цилиндров двигателя, на входе и на выходе компрессора, путем изменения положения дроссельной заслонки, байпасного и перепускного клапанов. При этом запрограммированный алгоритм регулирования обеспечивает максимальное приближение диапазона регулировки к заранее выбранному верхнему и нижнему пределам скоростей вращения вала компрессора с учетом температуры и давления впускного и наддувочного воздуха, а также режима работы двигателя. Наличие накопителя наддувочного воздуха, который подается во входной коллектор двигателя, позволяет в значительной степени компенсировать эффект «турбоямы».
Однако в известном устройстве для функционирования накопителя наддувочного воздуха предусмотрена специальная система, включающая воздушный фильтр, компрессор, охладитель и клапан, что усложняет комплектацию устройства и приводит к дополнительным затратам энергии и повышению расхода топлива. Кроме того, из-за излишнего сбрасывания отработанных газов через перепускной клапан при закрытии дроссельной заслонки происходит снижение скорости вращения турбины. При последующем нажатии педали акселератора затрачивается дополнительное время для вывода турбины на требуемый режим, что снижает динамику управления потоком наддувочного воздуха и в итоге ухудшает приемистость двигателя.
В основу изобретения положена задача создать устройство управляемого турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, в котором за счет динамически управляемого разделения потока наддувочного воздуха, генерируемого штатным турбонагнетателем, повышалась бы экономичность двигателя, улучшалась динамика управления двигателем и обеспечивалась компенсация эффекта «турбоямы».
Поставленная задача решается тем, что устройство управляемого турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, содержащее турбонагнетатель, имеющий турбину, впуск которой соединен с выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания, и компрессор, вход которого сообщен с воздушным фильтром, а выход сообщен со входом охладителя, выход которого сообщен с первым каналом подачи наддувочного воздуха с установленной в нем первой дроссельной заслонкой, сообщенным с входным коллектором двигателя внутреннего сгорания, перепускной клапан, установленный между выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания и выпуском турбины, байпасный клапан, установленный между входом охладителя и входом компрессора, накопитель наддувочного воздуха, сообщенный с входным коллектором двигателя внутреннего сгорания, и блок управления, информационные входы которого электрически связаны с датчиками, установленными на входах компрессора и первой дроссельной заслонки, на входном коллекторе, блоке цилиндров и выходном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, управляющий вход блока управления подключен к датчику акселератора, а управляющий выход подключен к первой дроссельной заслонке, согласно изобретению дополнительно содержит второй канал подачи наддувочного воздуха, который соединен с первым каналом подачи наддувочного воздуха перед входом первой дроссельной заслонки и перед входным коллектором двигателя внутреннего сгорания и в котором установлен накопитель наддувочного воздуха, на входе которого установлен первый электромагнитный клапан, а на выходе последовательно установлены вторая дроссельная заслонка и второй электромагнитный клапан, обратный клапан, установленный на выходе первой дроссельной заслонки, первый и второй электронные ключи, сигнальные входы которых подключены к соответствующим управляющим выходам блока управления, а сигнальные выходы подключены к управляющим входам перепускного и байпасного клапанов, контроллер наддувочного воздуха, информационные входы которого подключены к датчикам, установленным на входе первой дроссельной заслонки, входном коллекторе двигателя внутреннего сгорания и накопителе наддувочного воздуха, а управляющие выходы подключены к управляющим входам второй дроссельной заслонки, первого и второго электромагнитных клапанов, первого и второго электронных ключей, соответственно, и информационную шину, соединяющую блок управления и контроллер наддувочного воздуха.
Технический результат устройства управляемого турбонаддува двигателя внутреннего сгорания заключается в повышении экономичности двигателя и динамики управления турбонаддувом, а также в значительной компенсации эффекта «турбоямы». Это обеспечивается тем, что во входной коллектор двигателя внутреннего сгорания наддувочный воздух от одного штатного турбонагнетателя поступает по первому, основному, и второму, вспомогательному, каналам, в каждом из которых регулировка объема поступающего наддувочного воздуха обеспечивается управляемыми дроссельными заслонками. При этом, в случае недостаточного объема наддувочного воздуха, поступающего по первому каналу от турбонагнетателя, подача наддувочного воздуха в двигатель внутреннего сгорания осуществляется из накопителя наддувочного воздуха по второму каналу до момента достижения турбонагнетателем необходимой производительности для данного режима работы двигателя. Следует отметить, что скорость вращения турбины в предложенном устройстве в большей степени зависит от положения педали акселератора и связанным с ней числом оборотов двигателя, а не от частоты срабатывания перепускного клапана, что позволяет улучшить динамику управления турбонаддувом.
В отличие от прототипа в патентуемом устройстве наполнение накопителя наддувочного воздуха осуществляется за счет энергии отработанных газов, что не требует введения в конструктивную схему дополнительных энергоемких узлов, в частности вспомогательного компрессора.
Изобретение описывается детально в нижеприведенном примере, не являющемся при этом исключительным и единственным в рамках патентуемого изобретения, со ссылкой на сопровождающий чертеж, на котором изображена функциональная схема устройства управляемого турбонаддува двигателя внутреннего сгорания.
Устройство управляемого турбонаддува двигателя внутреннего сгорания содержит турбонагнетатель 1, включающий установленные на одном валу турбину 2 и компрессор 3, и двигатель 4 внутреннего сгорания, включающий входной коллектор 5, выходной коллектор 6 и блок 7 цилиндров. С выходом компрессора 3 сообщен охладитель 8, выход которого сообщен с первым, основным, каналом 9 подачи наддувочного воздуха, в котором последовательно установлены первая дроссельная заслонка 10 и обратный клапан 11. Первый канал 9 подачи наддувочного воздуха на выходе сообщен с входным коллектором 5 двигателя внутреннего сгорания.
Между впуском и выпуском турбины 2 установлен перепускной клапан 12, а между входом охладителя 8 и входом компрессора 3 установлен байпасный клапан 13.
Устройство также содержит накопитель 14 наддувочного воздуха, который установлен во втором, вспомогательном, канале 15 подачи надувочного воздуха, соединенным с первым каналом 9 подачи надувочного воздуха перед входом первой дроссельной заслонки 10 и после обратного клапана 11 по ходу движения наддувочного воздуха. Во втором канале 15 подачи надувочного воздуха на входе накопителя 14 наддувочного воздуха установлен первый электромагнитный клапан 16, а на его выходе установлена вторая дроссельная заслонка 17 и второй электромагнитный клапан 18.
Кроме того, устройство содержит воздушный фильтр 19, вход которого сообщен с атмосферой, а выход подключен к входу компрессора 3, блок 20 управления и контроллер 21 наддувочного воздуха, соединенные общей информационной шиной 22.
Кроме того, устройство содержит первый и второй электронные ключи 23 и 24, сигнальные входы которых подключены к соответствующим управляющим выходам блока 20 управления, а сигнальные выходы электронных ключей 23 и 24 подключены к управляющим входам перепускного клапана 12 и байпасного клапана 13, соответственно.
Для управления турбонаддувом устройство оснащено датчиками, электрически связанными с блоком 20 управления и контроллером 21 наддувочного воздуха.
К информационным входам блока 20 управления подключены датчики 25, 26, 27, 28, 29, установленные на входе компрессора 3, входе первой дроссельной заслонки 10, на входном коллекторе 5, на блоке 7 цилиндров и на выходном коллекторе 6, соответственно.
Датчик 30 акселератора подключен к управляющему входу блока 20 управления, к управляющим выходам которого подключены первая дроссельная заслонка 10 и сигнальные входы первого и второго электронных ключей 23 и 24.
К информационным входам контроллера 21 наддувочного воздуха подключены датчики 26, 27, а также датчик 31, установленный в накопителе 14 наддувочного воздуха, а к управляющим выходам подключены управляющие входы второй дроссельной заслонки 17, первого и второго электромагнитных клапанов 16, 18, первого и второго электронных ключей 23, 24, соответственно.
Устройство управляемого турбонаддува двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.
После запуска двигателя внутреннего сгорания 4 все выхлопные газы, поступающие из выходного коллектора 6, направляются к турбине 2 турбонагнетателя 1, раскручивая ее и компрессор 3, который находится на одном валу с турбиной 2. При этом перепускной клапан 12 и байпасный клапан 13 при отсутствии сигналов на их входах находятся в нормально закрытом состоянии. Воздушный поток из атмосферы через воздушный фильтр 19 поступает на вход компрессора 3, в котором воздушный поток входного атмосферного воздуха сжимается, его давление и температура повышаются, тем самым формируется поток «наддувочного» воздуха. Наддувочный воздух направляется на вход охладителя 8, после прохождения которого по первому каналу 9 подачи наддувочного воздуха через дроссельную заслонку 10 и обратный клапан 11 поступает во входной коллектор 5 двигателя 4.
На управляющий вход блока 20 управления постоянно поступает сигнал с датчика 30 акселератора, а также информационные сигналы с датчиков 25-29. В соответствии с этими сигналами, а также с заранее заданными запрограммированными данными блок 20 управления вырабатывает сигнал управления, который поступает на управляющий вход первой дроссельной заслонки 10. В соответствии с этим сигналом первая дроссельная заслонка 10 занимает определенное положение, определяющее объем наддувочного воздуха, поступающего во входной коллектор 5 двигателя 4.
При превышении давления наддувочного воздуха на выходе компрессора 3 значений, запрограммированных для текущего режима работы двигателя 4, в зависимости от величины превышения блок 20 управления формирует сигналы на включение перепускного клапана 12 или байпасного клапана 13. Сформированные сигналы поступают на сигнальные входы первого или второго электронных ключей 23, 24, соответственно, которые при отсутствии управляющего сигнала с контроллера 21 наддувочного воздуха разомкнуты. Эти же сигналы по информационной шине 22 подступают на информационные сигналы контроллера 21 наддувочного воздуха, в соответствии с которыми он вырабатывает сигнал на открытие первого электромагнитного клапана 16, а также информационный сигнал, поступающий через информационную шину 22 на блок 20 управления. В этот период происходит заполнение накопителя 14 наддувочным воздухом, при этом вторая дроссельная заслонка 17 закрыта. Информация о текущем значении давления в накопителе 14 наддувочного воздуха с датчика 31 поступает в контроллер 21 наддувочного воздуха. При достижении давления в накопителе 14 заданного предельного значения контроллер 21 формирует сигнал на отключение первого электромагнитного клапана 16 и включение первого и второго электронных ключей 23, 24. При этом происходит включение перепускного клапана 12 или байпасного клапана 13 в зависимости от того, на сигнальный вход какого электронного ключа 23, 24 в данный момент поступает управляющий сигнал с выхода блока 20 управления.
При резком возрастании сигнала, поступающего с датчика 30 акселератора, когда давление во входном коллекторе 5 двигателя 4 ниже соответствующего запрограммированного значения, контроллер 21 наддувочного воздуха в соответствии с сигналом, поступающим по информационной шине 22 от блока 20 управления, формирует команду на управление второй дроссельной заслонкой 17 и команду на открытие второго электромагнитного клапана 18. При этом заполнение входного коллектора 5 двигателя 4 производится по второму каналу 15 подачи наддувочного воздуха из накопителя 14. Контроллер 21 наддувочного воздуха анализирует информацию с датчиков 26 и 27, и при достижении давления наддувочного воздуха на выходе компрессора 3 значения, соответствующего заданному режиму, по команде контроллера 21 наддувочного воздуха закрывается второй электромагнитный клапан 18 и вторая дроссельная заслонка 17. Обратный клапан 11 препятствует прохождению наддувочного воздуха из накопителя 14 к первой дроссельной заслонке 10.
Как описано выше, в отличие от известных технических решений, наддувочный воздух от одного штатного турбонагнетателя 1 поступает во входной коллектор 5 двигателя 4 внутреннего сгорания по первому, основному, и второму, вспомогательному каналам 9, 15, в каждом из которых регулировка объема поступающего наддувочного воздуха обеспечивается управляемыми дроссельными заслонками 10, 17, соответственно.
Следует отметить, что наддувочный воздух, поступающий из накопителя 14 за счет энергии отработанных газов, позволяет резко увеличить число оборотов двигателя 4 внутреннего сгорания, компенсируя эффект «турбоямы». Увеличение числа оборотов двигателя 4 также приводит к автоматическому возрастанию давления выхлопных газов в выходном коллекторе 7 и, как следствие, - к соответствующему увеличению числа оборотов турбины 2 и компрессора 3. В результате происходит быстрое нарастание давления наддувочного воздуха на входе дроссельной заслонки 10 до значений, оптимальных для данного режима работы двигателя 4 внутреннего сгорания, что существенно повышает его приемистость.
Патентуемое устройство управляемого турбонаддува двигателя внутреннего сгорания повышает экономичность двигателя и динамику управления турбонаддувом, значительно снижая эффект «турбоямы».