Дизельный двигатель военной гусеничной машины, оборудованный турбокомпрессором с изменяемой геометрией турбины

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использована для повышения эффективности работы турбокомпрессора дизельного двигателя военных гусеничных машин.
Широко известны устройства для регулирования наддува дизельных двигателей путем изменения геометрии проточной части турбин турбокомпрессоров. Например, исполнение проточной части турбины с поворотными лопатками соплового аппарата (патент на изобретение RU 2011850С1 МПК F01D 1/08 опубликован 30.04.1994 г.; патент US 7658068 В2 МПК F02D 23/00, F01B 25/02, F01N 3/00, опубликован 9.02.2010 г.) Изменение геометрии проточной части турбин выдвигающимися лопатками соплового аппарата (патент US 7108481 В2 МПК F01D 17/16 опубликован 19.09.2006 г.; патент US 6931849 В2 МПК F01D 17/12, F01D 17/14 опубликован 23.08.2005 г.; патент US 6726447 В2 МПК F01D 17/16 опубликован 27.04.2004 г.). Изменение геометрии проточной части турбин лопатками соплового аппарата, которые изменяют свою форму (патент US 10519799 В2 МПК F01D 17/16 опубликован 31.12.2019 г.; патент KR 10-1586821 В2 МПК F01D 17/16, F02B 37/22, F01B 39/00, F01C 6/12 опубликован 19.01.2016 г.)
Известен турбокомпрессор (патент на полезную модель RU №13670 МПК F02C 6/12 опубликовано 10.05.2000 г.), принятый за прототип, установленный на многоцилиндровый двигатель с V-образным расположением блоков цилиндров, имеющий главный и прицепной шатуны (см. чертежи 4353.00.000 СКБ «Турбина»). Конструктивной особенностью этого вида двигателей является то, что рабочий объем цилиндров правого блока цилиндров больше рабочего объема левого блока цилиндров. Турбокомпрессор содержит кольцевой сопловой аппарат турбины, направляющий поток отработанных газов на рабочее колесо турбины. Особенностью турбокомпрессора является раздельный подвод газа от левого и правого блоков цилиндров и различное отношение проходных сечений соплового аппарата для левого и правого блоков цилиндров, что выполнено для улучшения КПД турбокомпрессора и уменьшения потерь полного давления.
Недостатком известного устройства является то, что применяемый сопловой аппарат не позволяет осуществлять регулирование расхода выхлопных газов через турбину и не исключает рассогласований расходных характеристик турбокомпрессора и поршневого двигателя вследствие отставания разгона турбокомпрессора от разгона коленчатого вала на переходных режимах работы, что приводит к снижению эксплуатационных экономических и мощностных показателей. Характеристики компрессора и турбины согласованы с гидравлической характеристикой двигателя на режимах внешней скоростной характеристики при частотах вращения коленчатого вала от номинальной до соответствующей максимальному крутящему моменту. На этих режимах удается получить удовлетворительный коэффициент полезного действия (КПД) компрессора. Однако при переходе на режимы с пониженной частотой вращения коленчатого вала двигателя расход отработавших газов уменьшается, проходные сечения соплового аппарата оказываются неоправданно большими и давление газов перед турбиной уменьшается. В результате на режимах с низкими частотами вращения КПД компрессора уменьшается до 0,64…0,66, что приводит к уменьшению давления наддувочного воздуха и уменьшению расхода воздуха.
Техническим результатом предложенной полезной модели является повышение приемистости дизельного двигателя с газотурбинным наддувом при сохранении приемлемых показателей габаритной мощности силовой установки.
Технический результат предложенной полезной модели достигается тем, что в дизельном двигателе военной гусеничной машины с V-образным расположением блоков цилиндров, имеющем главный и прицепной шатуны, согласно полезной модели в турбине турбокомпрессора установлено устройство регулирования давления наддува посредством изменения скорости истечения выхлопных газов через турбину.
Предложение поясняется схемами, изображенными на фигурах 1-5.
Предлагаемый дизельный двигатель, оборудованный турбокомпрессором с изменяемой геометрией турбины (фиг. 1), содержит дизельный двигатель 2 с V-образным расположением блоков цилиндров, имеющий главный и прицепной шатуны; датчик частоты вращения коленчатого вала 3; впускной коллектор 4; датчик давления наддувочного воздуха 5; компрессор 6; рабочее колесо компрессора 7; турбина с изменяемой геометрией 8; рабочее колесо турбины 9; регулируемый сопловой аппарат (РСА) 10, состоящий из корпуса регулируемого соплового аппарата 10ж, поворотных лопаток РСА правого блока цилиндров 10а, зубчатых секторов привода лопаток РСА правого блока цилиндров 10б, поворотного кольца 10в с двумя зубчатыми венцами различного диаметра, зубчатых секторов привода лопаток РСА левого блока цилиндров 10 г, лопаток РСА левого блока цилиндров 10д; рычаг 11 привода поворотного кольца с двумя зубчатыми секторами; шаговый электродвигатель 12; электронный блок управления (ЭБУ) 13 регулируемым сопловым аппаратом; датчик положения педали акселератора 14.
Предлагаемая модель работает следующим образом.
При устойчивом движении военной гусеничной машины и работе дизельного двигателя 2 с установившимися оборотами максимального крутящего момента или максимальной мощности воздух попадает в компрессор 6, рабочим колесом 7 сжимается в компрессоре и под давлением через впускной коллектор 4 поступает в цилиндры двигателя 2. Количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива, зависит от скорости вращения рабочего колеса 7 компрессора, которое находится на одном валу с рабочим колесом 9 турбины 8. Выхлопные газы, образовавшиеся в результате рабочего процесса в цилиндрах дизельного двигателя 2, поступают в выпускные коллекторы 1 и, пройдя мимо лопаток РСА 10а и 10д, попадают на рабочее колесо турбины 9, расширяются на ней, приводя ее во вращение. Таким образом, скорость вращения рабочего колеса турбины 9 зависит от количества и скорости, поступающих из выпускных коллекторов 1 выхлопных газов. При этом лопатки регулируемого соплового аппарата правого блока цилиндров 10а и левого блока цилиндров 10д находятся в максимально открытом положении (фиг. 2 штриховые линии), обеспечивая скорость истечения выхлопных газов, соответствующую оптимальному отношению количества воздуха, подаваемого компрессором, к количеству топлива, подаваемого топливной системой дизельного двигателя. Так как рабочий объем цилиндров правого блока цилиндров больше рабочего объема левого блока цилиндров, для оптимизации потока выхлопных газов внутри корпуса турбины, внутренний объем корпуса турбины разделен на две разные по объему полости, причем проходное сечение корпуса турбины, в которое поступают выхлопные газы от правого блока цилиндров больше проходного сечения, в которое поступают выхлопные газы от левого блока цилиндров (в соответствие с фиг. 2 длина дуги окружности BCD больше длины окружности BFD). Для выравнивания скоростей истечения отработанных газов через рабочее колесо турбины углы поворота лопаток РСА правого блока цилиндров 10а и лопаток РСА левого блока цилиндров 10д различаются (фиг. 3).
При работе двигателя на неустановившихся режимах (разгоне машины, холостом ходу, малых нагрузках или при торможении двигателем) сигналы от датчика частоты вращения коленчатого вала 3, датчика давления наддувочного воздуха 5 и датчика положения педали акселератора 14 поступают на ЭБУ 13, ЭБУ в соответствие с алгоритмом формирует управляющий сигнал и передает его на шаговый электродвигатель 12, шаговый электродвигатель 12 перемещает рычаг 11 и через штифт 10 и поворачивает поворотное кольцо 10в с двумя зубчатыми венцами различного диаметра. Поворачиваясь на определенный угол, поворотное кольцо 10в с двумя зубчатыми венцами различного диаметра (фиг. 4) поворачивает вокруг своих осей зубчатые секторы лопаток РСА правого 10б и левого 10г блока цилиндров, зубчатые секторы 10б и 10г, в свою очередь, через оси 10к, которыми они соединены с лопатками 10а и 10д, поворачивают лопатки 10а и 10д на угол, при котором проходные сечения между лопаткам РСА становятся минимальны, скорость истечения выхлопных газов между лопатками РСА увеличивается и увеличивается скорость вращения рабочего колеса турбины и компрессора, производительность компрессора увеличивается и необходимое для сгорания топлива количество воздуха поступает в цилиндры двигателя. На фиг. 2 сплошными линиями показано положение лопаток РСА при максимальной производительности турбокомпрессора. Углы поворота лопаток РСА правого 10а и левого 10д блоков цилиндров в промежуточных положениях между полностью открытым (фиг. 2 штриховые линии) и максимально закрытым (фиг. 2 сплошные линии) состоянием будут отличаться друг от друга с целью выравнивания скоростей истечения выхлопных газов через лопатки и предотвращения разбалансировки рабочего колеса турбины. Алгоритм работы ЭБУ предусматривает плавное изменение положения лопаток РСА, в зависимости от давления наддувочного воздуха, количества подаваемого топлива (датчик педали акселератора) и оборотов коленчатого вала двигателя, тем самым регулируется количество воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя, обеспечивая оптимальное отношение количества воздуха и топлива на всех переходных режимах работы дизельного двигателя.
По сравнению с прототипом, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить приемистость дизельного двигателя с газотурбинным наддувом и, как следствие, улучшить основные показатели по подвижности военной гусеничной машины, при сохранении приемлемых показателей габаритной мощности силовой установки.
Предлагаемое устройство дизельного двигателя технологично в промышленном изготовлении.