СИСТЕМА ТУРБОНАДДУВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE TURBO-SUPERCHARGING SYSTEM

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания, оснащенным газотурбинным наддувом.
Подавляющее большинство современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются комбинированными, то есть оснащаются системами газотурбинного наддува. Основные элементы таких систем - турбокомпрессоры, объединяющие в общем корпусе турбину, использующую энергию отработавших в поршневой части газов, и компрессор, приводимый во вращение турбиной и сжимающий воздух, поступающий в цилиндры двигателя.
Предварительное сжатие воздуха в компрессоре позволяет увеличить массовое наполнение цилиндров топливовоздушной смесью, что обеспечивает повышение мощности двигателя, увеличенное количество воздуха способствует также, благодаря более полному выгоранию, снижению расхода топлива и уменьшению выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателя внутреннего сгорания.
На экономические и экологические показатели работы двигателя определяющее влияние оказывают температура и давление наддувочного воздуха (воздуха подаваемого компрессором в цилиндры двигателя). Установлено, что для каждого нагрузочного и скоростного режима двигателя существует определенное сочетание температуры и давления воздуха, подаваемого в цилиндры, при котором обеспечиваются наилучшие показатели работы двигателя.
В существующих системах газотурбинного наддува регулирование параметрами наддува осуществляется только лишь по давлению наддува, путем перепуска части отработавших газов в обвод турбины или стравливания сжатого в компрессоре воздуха в обход цилиндра без учета влияния температуры наддувочного воздуха.
Известна система турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, содержащая турбокомпрессор, объединяющий турбину и компрессор, перепускной клапан, управляющий количеством отработавших газов, поступающих в турбину, регулирование давления воздуха перед цилиндром в которой осуществляется путем изменения расхода газа через турбину и, следовательно, частоты вращения турбокомпрессора (см. УДК621.43.052-82-03.30. Патрахальцев Н.Н., Савастенко А.А. Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом. - М.: Легион-Авто, 2004, стр.74, рис.3.23). Для управления перепускным клапаном используется воздух, сжатый в компрессоре.
Недостатком известной системы турбонаддува является неудовлетворительная гибкость регулирования из-за жесткой зависимости момента открытия перепускного клапана отработавших газов от давления наддувочного воздуха и отсутствия учета влияния на параметры работы двигателя температуры поступающего в цилиндры воздуха, что приводит к повышенному расходу топлива на малых нагрузках или превышению допустимого температурного уровня на режиме максимальной мощности, увеличивает время прогрева двигателя.
Известна система турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, содержащая турбину, компрессор, два газоподводящих канала, разделенная перегородками, регулирующее устройство и регулирующий элемент, который выполнен в виде плоской заслонки с возможностью поступательного перемещения в пазу корпуса регулирующего устройства (см. МПК F02B 37/02 описание изобретения к патенту №2018699 Российской Федерации, опубл. 30.08.1994 г.).
Недостатком известной системы является невысокая надежность регулирования параметров наддувочного воздуха из-за отсутствия учета температуры воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, а также низкое быстродействие регулирующего устройства, а именно плоской заслонки.
Техническим результатом заявляемого технического решения является улучшение эксплуатационных характеристик за счет обеспечения наилучших сочетаний температуры и давления воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя.
Сущность технического решения заключается в том, что система турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, содержащая турбину, компрессор, газоподводящие каналы, впускной коллектор, дополнительно содержит перепускной клапан отработавших газов с пневмоэлементом, байпасный канал наддувочного воздуха, на котором установлен перепускной клапан наддувочного воздуха, охладитель наддувочного воздуха и блок управления, к первому, второму, третьему, четвертому входам которого подключены соответственно датчики температуры и давления, установленные во впускном коллекторе, датчик положения органа топливоподачи и датчик частоты вращения коленчатого вала, установленные на двигателе, а к выходам блока управления подключены соответственно перепускной клапан наддувочного воздуха и электромагнитный клапан, управляющий подводом наддувочного воздуха в надмембранное пространство пневмоэлемента перепускного клапана отработавших газов.
Связанное управление параметрами наддувочного воздуха в зависимости от скоростного и нагрузочного режима работы двигателя обеспечивает без снижения надежности наилучшую топливную экономичность при соблюдении экологических нормативов.
Введение перепускного клапана отработавших газов с пневмоэлементом и байпасного канала наддувочного воздуха, на котором установлен перепускной клапан наддувочного воздуха, охладителя наддувочного воздуха, обеспечивает обвод охладителя наддувочного воздуха, более быстрый прогрев двигателя и исключает переохлаждение воздуха, поступающего в цилиндры двигателя при работе в условиях отрицательных температур.
Введение блока управления обеспечивает через датчики температуры и давления, установленные во впускном коллекторе, датчик положения органа топливоподачи и датчик частоты вращения каленчатого вала, установленные на двигателе, автоматическое поддержание оптимальных параметров наддувочного воздуха в зависимости от режима работы двигателя.
Заявляемая система турбонаддува двигателя внутреннего сгорания поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема системы турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, общий вид; на фиг.2 - перепускной клапан отработавших газов; на фиг.3 - перепускной клапан наддувочного воздуха.
Система турбонаддува двигателя внутреннего сгорания содержит компрессор 1 и турбину 2, объединенные общим валом, газоподводящие каналы 3, охладитель наддувочного воздуха 4, перепускной клапан отработавших газов 5 с пневмоэлементом 6, электромагнитный клапан 7, перепускной клапан 8 наддувочного воздуха, установленный на байпасном канале 9, впускной коллектор 10, в котором установлены датчик 11 давления воздуха и датчик 12 температуры воздуха, на двигателе также установлены датчик 13 положения органа топливоподачи и датчик 14 частоты вращения коленчатого вала. Сигналы от датчиков 11, 12, 13, 14 поступают на входы электронного блока 15 управления, к выходам которого подключены электромагнитный клапан 7 и перепускной воздушный клапан 8.
Система турбонаддува двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом. При запуске двигателя и работе на малых нагрузках перепускной клапан 5 отработавших газов находится в закрытом состоянии под действием пневмоэлемента 6. Все отработавшие газы по газоподводящим каналам 3 поступают к турбине 2 и раскручивают ее, вращение передается компрессору 1, находящемуся с турбиной на одном валу. Клапан 8 перепуска наддувочного воздуха находится в положении, когда весь наддувочный воздух направляется по байпасному каналу 9 во впускной коллектор 10, минуя охладитель 4 наддувочного воздуха. После запуска двигателя на блок 15 управления начинают поступать сигналы с датчиков режима работы двигателя, к которым относятся индуктивный датчик 14 частоты вращения коленчатого вала и датчик 13 положения органа топливоподачи, определяющий цикловую подачу топлива. На основе их сигналов блок 15 управления рассчитывает предпочтительные значения параметров наддувочного воздуха для данного режима работы. Помимо данных о режиме работы на блок 15 управления поступают аналоговые сигналы о фактических значениях температуры и давления наддувочного воздуха во впускном коллекторе 10 от датчиков 11 и 12, где преобразуются в цифровые значения. Полученные значения сравниваются с расчетными. В случае выявленных отличий выполняется регулирующее воздействие на исполнительные органы. Их функции выполняют перепускной клапан 5 отработавших газов и перепускной клапан 8 наддувочного воздуха. Перепускной клапан отработавших газов 5 перепускает часть отработавших газов в обход рабочего колеса турбины 2 на режимах, близких к максимальной мощности, когда большое количество отработавших газов приводит к чрезмерному повышению давления перед цилиндрами двигателя, что является причиной резкого повышения тепловых и механических нагрузок на детали двигателя. Перепускной клапан отработавших газов 5 управляется пневмоэлементом 6 (фиг.2). При поступлении наддувочного воздуха под определенным давлением в надмембранную полость 16 пневмоэлемента 6, эластичная мембрана 17, соединенная с тягой 18, преодолевая усилие пружины 19, перемещается, поворачивает перепускной клапан 5 отработавших газов и открывает перепускной канал 20.
Для устранения жесткой зависимости момента открытия перепускного клапана 5 отработавших газов от величины давления наддува подвод наддувочного воздуха в надмембранное пространство управляется электромагнитным клапаном 7, который подключен к выходу блока 15 управления.
После прогрева двигателя перепускной клапан 8 наддувочного воздуха занимает положение, обеспечивающее прохождение воздуха через охладитель 4 наддувочного воздуха. Наддувочный воздух может направляться в газоподводящий канал 3 по байпасному каналу 9, минуя охладитель 4 при эксплуатации двигателя в условиях отрицательных температур. Перепускной клапан 8 наддувочного воздуха (фиг.3) работает следующим образом. При отсутствии электрического импульса с блока 15 управления золотник 21 под действием возвратной пружины 22 занимает положение, при котором воздух после компрессора 1 направляется в охладитель 4 наддувочного воздуха. В случае понижения температуры воздуха на впуске в цилиндры ниже установленного уровня, блок 15 управления подает электрический импульс на тяговое реле 23. При втягивании его сердечника усилие через тягу 24 и рычаг 25 передается на золотник 21, благодаря чему он поворачивается в положение, при котором воздух после компрессора 1 подается в цилиндры двигателя, минуя охладитель 4. При повышении температуры выше установленного уровня блок 15 управления отключает электрический импульс, и под действием возвратной пружины 22 золотник 21 возвращается в положение, когда наддувочный воздух направляется в охладитель 4.
Таким образом, в предлагаемой системе турбонаддува двигателя обеспечивается автоматическое регулирование температуры и давления наддувочного воздуха в зависимости от режима работы двигателя, обеспечивающее высокую топливную экономичность, высокую надежность и удовлетворение экологических нормативов.
По сравнению с существующими системами турбонаддува предлагаемая система повышает надежность работы двигателя и экономичность.
В качестве блока управления можно использовать программируемый микропроцессор, например ATMega8 или PIC16F1823, что позволит выбирать наилучшие сочетания температуры и давления для каждого эксплуатационного режима двигателя.