УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ НАДДУВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
DEVICE FOR REGULATION OF INTERNAL COMBUSTING ENGINE BOOST PRESSURE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Наддув является наиболее эффективным способом повышения удельных показателей поршневых ДВС. На сегодняшний день подавляющее большинство дизельных двигателей оснащаются газотурбинным наддувом. Тем не менее, применение газотурбинного наддува наряду с преимуществами имеет ряд существенных недостатков, главный из которых - снижение экономичности двигателя на частичных режимах. Кроме того, при снижении температуры окружающего воздуха происходит увеличение плотности воздушного заряда, поступающего в цилиндры двигателя, что ведет к увеличению массового наполнения цилиндров воздухом. В связи с этим зона экономичной работы двигателя с выключенным турбокомпрессором смещается в сторону больших нагрузок.
Для повышения коэффициента приспособляемости двигателя подбор модели турбокомпрессора производят так, чтобы его максимальный КПД соответствовал режиму максимального крутящего момента двигателя. При этом на нагрузках, близких к номинальным, имеет место повышение расхода газов через турбину и, как следствие, чрезмерное увеличение давления наддува что, в свою очередь, увеличивает нагрузку на детали двигателя и еще сильнее ухудшает его экономичность.
Для исключения описанных выше явлений необходимо регулировать давление наддувочного воздуха путем изменения мощности турбины. Известны системы, позволяющие регулировать мощность турбины путем перепуска части отработавших газов мимо турбины в атмосферу, изменением геометрических параметров направляющего аппарата турбины или за счет механического воздействия на ротор турбокомпрессора. При этом наибольшее распространение получили системы с перепуском отработавших газов ввиду их высокой эффективности и простоты конструкции.
Известно устройство, встроенное непосредственно в турбокомпрессор, перепускающее отработавшие газы в выхлопную трубу, минуя газовую турбину, которое содержит корпус управляющего механизма, воздушную трубку, диафрагму, пружину, тягу, шарнир, поворотную втулку с закрепленной на ней тарелкой клапана (TURBOCHARGER WITH WESTGATE ACTUATOR; Invertor: James McEwan, Brighouse (GB); Assignee: Holset Engineering Company, Ltd., Huddersfield (GB); Appl. No.: 09/361,948; Filed Jul. 27, 1999; Int. CI.: F02D 23/00; U.S. CI.: 60/602; Patent No.: US 6,405,535 B1; Date of Patent: Jul. 18, 2002).
Данное устройство работает следующим образом. При давлении наддува ниже максимально установленной величины воздух поступает из компрессора через отверстие в его корпусе по трубке в корпус управляющего механизма, воздействует на диафрагму, однако его давления не достаточно для преодоления сопротивления пружины. Перепускной клапан закрыт. При повышении давления наддува воздуха выше максимально установленной величины диафрагма перемещается, сжимая пружину, шток открывает перепускной клапан. Газы из выпускного коллектора через перепускное отверстие поступают непосредственно в выхлопную трубу, минуя газовую турбину.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является перепускной клапан для турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания (WESTGATE VALVE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE TURBOCHARGER; Invertor: John Parker, Huddersfield, England; Assignee: Holset Engineering Company Limited, Turnbridge, England; Appl. No.: 712,950; Filed Mar. 15, 1985; Int. CI.: F02D 37/00; U.S. CI.: 60/602; Patent No.: 4,630,445; Date of Patent: Dec. 23, 1986).
Устройство содержит перепускной клапан, перекрывающий перепускной канал между выпускным коллектором и рабочей полостью газовой турбины, корпус перепускного клапана с запрессованной в него направляющей втулкой, эластичную мембрану, закрепленную на торце клапана, пневмокамеру, соединенную патрубком с впускным коллектором двигателя, пружину, воздействующую одним концом на мембрану, а другим на защитную крышку, теплоотражающий щиток, защищающий мембрану и пружину от излишнего теплового воздействия. Исполняющий механизм устройства, в отличие от предыдущего, полностью смонтирован на корпусе газовой турбины.
При работе двигателя на режимах с малым давлением наддува клапан своей тарелкой под действием пружины перекрывает перепускной канал. Газы в полном объеме поступают в газовую турбину, так как их давления и давления наддувочного воздуха, воздействующего на эластичную мембрану, не достаточно для того, чтобы преодолеть усилие пружины и переместить клапан.
При превышении заданного давления наддувочного воздуха эластичная мембрана перемещается, сжимая пружину вместе с клапаном, и открывает перепускное отверстие. Отработанные газы направляются в выхлопную трубу, минуя газовую турбину.
Недостатками известных устройств являются:
- усложнение конструкции турбокомпрессоров и, как следствие, снижение их надежности;
- отсутствие возможности перепуска отработанных газов на холостом ходу и частичных режимах, когда работа двигателя без наддува более экономична;
- встроенная в турбокомпрессор система перепуска отработанных газов не позволяет использовать его на двигателях с нерегулируемым наддувом;
- отсутствие возможности коррекции предельного значения нагрузки, при которой начинается (заканчивается) перепуск отработанных газов в зависимости от температуры окружающей среды без изменения конструкции серийно выпускаемых турбокомпрессоров.
Технической задачей изобретения является повышение топливной экономичности и надежности работы двигателя за счет регулируемого перепуска отработанных газов мимо газовой турбины на холостом ходу, частичных режимах и номинальном режиме, когда давление наддувочного воздуха избыточно, а также коррекция нагрузки, при которой должен начинаться перепуск отработанных газов, в зависимости от температуры окружающего воздуха без изменения конструкции серийно выпускаемых турбокомпрессоров.
Поставленная задача решается путем введения новых конструктивных и функциональных элементов, а также изменением характера взаимосвязи между ними.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство представляет собой отдельную от турбокомпрессора газоперепускную вставку, устанавливаемую в разъеме выхлопного коллектора и турбины или выполненную совместно с выпускным коллектором двигателя, блок управления, датчики степени загрузки двигателя и температуры окружающего воздуха. Во вставке или выпускном коллекторе выполнен основной канал, соединяющий выпускной коллектор с входом в турбину, и перепускной канал, соединенный с атмосферой через выхлопную трубу при помощи перепускной трубы с гибкой вставкой. Основной и перепускной каналы сообщаются между собой отверстием, которое перекрывается перепускным клапаном. Клапан подвижно установлен в направляющую втулку. На внутренней поверхности втулки имеется винтовая канавка. На резьбовую часть втулки навернут корпус пневмокамеры. Пневмокамера включает в себя разъемный корпус, эластичную мембрану и пружину. Конец стержня клапана упирается в мембрану, Кроме того, на корпус пневмокамеры с другой стороны установлен силовой элемент (гидравлический, пневматический, электрический) - корректор, который предназначен для коррекции нагрузки, при которой происходит отключение или включение перепуска в зависимости от температуры окружающего воздуха по заданному алгоритму.
Мы рассмотрим одну из возможных конструкций силового элемента (корректора), например гидравлический, который состоит из цилиндра, поршня с уплотнительной манжетой и упорного кольца ограничения хода поршня. Между поршнем и мембраной установлена пружина.
Положение поршня в цилиндре, а соответственно и усилие пружины на мембрану, определяется блоком управления в соответствии с заданным алгоритмом работы предлагаемого устройства. В качестве рабочего тела может использоваться, например, моторное масло из системы смазки двигателя.
Представленное на фиг.1 устройство для регулирования давления наддува двигателя внутреннего сгорания содержит корпус перепускного клапана 1, в котором выполнены основной 2 и перепускной 3 каналы, соединенные между собой отверстием 4. Со стороны перепускного канала в корпусе 1 просверлено два отверстия. В одно отверстие вставлена и приварена перепускная труба 5, а в другом отверстии закреплена направляющая втулка 6 перепускного клапана 7. На внутренней поверхности втулки 6 нарезана винтовая канавка 25, а внешняя поверхность имеет оребрение. Перепускной клапан 7, свободно перемещаясь в направляющей втулке 6, способен открывать или закрывать перепускное отверстие 4.
На направляющую втулку 6 навернут разъемный корпус пневмокамеры 8, состоящий из двух частей, между которыми закреплена эластичная мембрана 9. Эластичная мембрана 9 крепится к стержню клапана 7, например, при помощи шайб 10 и 11 со стопорным кольцом. В полость пневмокамеры 8 со стороны стержня клапана по трубке 12 поступает наддувочный воздух, а вторая половина пневмокамеры сообщается с атмосферой. К пневмокамере с противоположной стороны крепится силовой элемент. Такое расположение силового элемента позволяет сделать конструкцию максимально компактной. Силовой элемент состоит из цилиндра 13, поршня 14, уплотнительной манжеты 15, упорное кольцо ограничения хода поршня 16 и контргайки 17. Между поршнем 14 и мембраной 9 установлена пружина 18. Для фиксации торца пружины на поверхности мембраны шайба 11 должна быть тарельчатой формы. С торца цилиндра с помощью штуцера 19 и трубки 20 подводится рабочее тело. Подача рабочего тела в силовой элемент регулируется клапаном-распределителем 21. Работой силового элемента управляет блок управления 22 с помощью датчика степени загрузки двигателя 23 и датчика температуры окружающей среды 24. Клапан-распределитель 21 может быть, например, золотникового типа и позволяет по сигналу с блока управления 22 в зависимости от нагрузки и температуры окружающего воздуха соединять полость 14 цилиндра с нагнетательной или со сливной полостью двигателя.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При пуске двигателя и последующей работе на холостом ходу и частичных нагрузочных режимах полость перед поршнем 14 силового элемента с помощью клапана-распределителя 21 сообщается со сливным каналом, при этом перепускной клапан 7 будет открыт, а пружина 18 находится в свободном состоянии. При этом отработанные газы из основного канала 2 в корпусе перепускного клапана 1 через отверстие 4, перепускной канал 3 и трубку 5 направляются в атмосферу, минуя турбину. Открытым клапан 7 остается вплоть до нагрузок, при которых удельные расходы топлива с перепуском отработанных газов и без перепуска будут равны. Степень загрузки двигателя оценивается датчиком 23. Предельное значение нагрузки, при которой удельные значения расходов топлива с перепуском и без перепуска равны, определяется в результате стендовых испытаний двигателя. Кроме того, известно, и это закладывается в алгоритм работы данного устройства, что с понижением температуры окружающего воздуха равенство удельных расходов будет наступать при более высоких значениях нагрузок.
С повышением нагрузки выше предельного значения для данной температуры окружающего воздуха блок управления 22 через клапан-распределитель 21) обеспечивает подачу рабочего тела под давлением в рабочую полость перед поршнем 14. Поршень 14, имеющий уплотнение в виде манжеты 15, перемещается до упора в упорное кольцо ограничения хода поршня 16, сжимает пружину 18, которая, в свою очередь, преодолевает давление наддувочного воздуха, действующего на мембрану, и давление отработанных газов на тарелку клапана, перемещает мембрану 9 и связанный с ней клапан 7. Тарелка клапана 7 закрывает перепускное отверстие 4, отработанные газы полностью направляются в турбину, ее мощность будет расти, что вызовет соответствующий рост давления наддувочного воздуха, которое через трубку 12 передается в корпус пневмокамеры 8. Как только суммарное давление отработанных газов, действующих на тарелку клапана 7 и наддувочного воздуха на мембрану 9, преодолевает усилие пружины 18, перепускной клапан 7 открывается. Отработанные газы через отверстие 4, перепускной канал 3 и перепускную трубу 5 выбрасываются в выхлопную систему, минуя проточную часть турбины. Таким образом, обеспечивается поддержание давления наддувочного воздуха на заданном уровне.
Поверхность стержня клапана 7 охлаждается воздухом, который подается в одну из полостей пневмокамеры, а затем через винтовую канавку 25 выбрасывается в перепускной канал 3 и далее в выхлопную трубу. Кроме того, внешняя поверхность втулки 6 охлаждается за счет увеличения поверхности теплообмена с помощью оребрения ее поверхности.
Величина оптимального давления наддувочного воздуха определяется по регулировочной характеристике зависимости удельного расхода топлива от давления наддувочного воздуха и температуры окружающего воздуха в стендовых условиях.
Результаты испытаний в виде соответствующего алгоритма заносятся в блок управления 22.
Конструкция устройства позволяет изменять давление наддува, при котором происходит открытие перепускного клапана 7 путем изменения предварительного натяжения пружины 18 при неработающем двигателе. Для этого ослабляется затяжка контргайки 17, отсоединяется трубка подвода рабочего тела 20 от штуцера 19. Необходимое натяжение пружины 18 обеспечивается в результате вращения корпуса 13 силового элемента в ту или иную сторону относительно корпуса пневмокамеры 8.