Устройство наддува для двигателя внутреннего сгорания

Полезная модель относится к двигателестроению, а в частности к системам газотурбинного наддува бензиновых двигателей внутреннего сгорания.
Основной областью применения устройств наддува являются двигатели внутреннего сгорания с турбонаддувом, применяемые в качестве основной силовой установки транспортных средств.
Улучшение динамических свойств транспортного средства в настоящее время осуществляется за счет применения наддува и в частности за счет снижения инерционности ротора турбокомпрессора, использования нескольких турбокомпрессоров меньшей размерности вместо одного, установки систем перепуска или же применения приводных компрессоров для обеспечения высокого давления наддува с низких частот вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания. Поставленную задачу возможно решить за счет подачи сжатого газа в выпускной коллектор из газового ресивера в связи с чем повышается давление в выпускном коллекторе, растет частота вращения ротора турбокомпрессора и растет давление наддува. Данное решение позволяет рекуперировать энергию торможения двигателем внутреннего сгорания в энергию сжатого газа внутри ресивера, тем самым повышая эффективность.
Из уровня техники известен турбокомпрессор (US 2014/0182286 А1, 03.07.2014), в состав системы которого включен воздушный ресивер, компрессор с электроприводом, электромагнитный клапан подачи воздуха в выпускной коллектор. Когда транспортное средство начинает движение, электромагнитный клапан открывает подачу сжатого воздуха в выпускной коллектор из воздушного ресивера, растет давление наддува и мощность двигателя. Недостатками представленной системы являются необходимость затрат энергии на привод электрокомпрессора, что повышает нагрузку на бортовую сеть и приводит к повышению расхода топлива и снижении обшей эффективности.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) предлагаемой полезной модели, выбран патент на изобретение RU 2638254 С2, 12.12.2017, в котором описывается снижение эффекта запаздывания турбокомпрессора в двигателе с наддувом. В нем раскрыт резервуар наддува, соединенный с двигателем, который может быть наполнен сжатым воздухом при всасывании воздуха двигателем и/или отработавшими газами. Находящийся под давлением газ или газовая смесь затем может быть выпущена 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;
система не может быть использована для наполнения ресивера воздухом, сжатым в двигателе, при движении на холостом ходу, так как нет узла, перекрывающего полностью выпускную магистраль.
система содержит большое количество электроуправляемых клапанов и обратных клапанов, что существенно усложняет конструкцию, а также влияет на работоспособность всей системы в целом ввиду того, что обратные клапаны, расположенные в системе выпуска, будут засоряться продуктами сгорания двигателя в виде сажи и продуктов сгорания моторного масла и выходить из строя.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на разработку конструктивно простого и компактного устройства наддува, сокращающего время запаздывания турбокомпрессора в двигателе внутреннего сгорания» с наддувом, обладающего при этом повышенной надежностью, а также позволяющего эффективно использовать работу двигателя внутреннего сгорания в составе транспортного средства на режиме принудительного холостого хода при торможении.
Технический результат заключается в повышении надежности устройства наддува двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором, обладающего простой конструкцией и уменьшенными массогабаритными характеристикам.
Технический результат достигается тем, что устройство наддува для двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором, содержащее ресивер, подключенный к выпускному коллектору ДВС и выпускной магистрали, воздушный фильтр, соединенный с электронной дроссельной заслонкой ДВС и установленный, как и дроссельная заслонка ДВС, перед компрессором турбокомпрессора, причем турбина турбокомпрессора соединена с ДВС посредством выпускной магистрали и выпускного коллектора ДВС, причем устройство наддува соединено с блоком управления ДВС, причем устройство наддува дополнительно содержит аварийный клапан давления, расположенный в ресивере, трехходовой клапан, расположенный на входе в ресивер, и имеющий привод, блок управления устройством наддува, соединенный сигнальными кабелями управления с блоком управления ДВС, по которым поступают сигналы о режимах работы ДВС, и производится управление электронной дроссельной заслонкой ДВС, датчик измерения давления с измерительным элементом, который располагается во внутреннем объеме ресивера и позволяет осуществлять управление давлением в ресивере посредством управления от блока управления устройства наддува,
причем первый выход трехходового клапана подключен к выпускному коллектору двигателя внутреннего сгорания, второй выход трехходового клапана располагается во внутренней полости ресивера, а третий выход трехходового клапана соединен с турбиной турбокомпрессора выпускной магистралью, причем привод трехходового клапана приводится в движение блоком управления устройства наддува, который соединен также с датчиком измерения давления, причем трехходовой клапан выполнен таким образом, что при повороте из крайнего положения на каждые 90 градусов его запорного элемента, объединяются его выходы в трех позициях: первый выход с третьим, второй с первым, и первый со вторым и третьим.
Конструкция устройства наддува также имеет следующие дополнительные отличия
трехходовой клапан выполнен с условным проходным сечением запорного элемента равным сечению выпускной магистрали для снижения падения давления в выпускной магистрали;
аварийный клапан, связывающий внутренний объем ресивера с атмосферой позволяет ограничивать максимальное давление сжатого воздуха в ресивере путем стравливания его в атмосферу для защиты ресивера от давления сжатого воздуха, превышающего максимально допустимое;
ресивер и трехходовой клапан выполнены из жаростойкой нержавеющей стали;
выпускная магистраль турбокомпрессора выполнена в виде выпускной трубы из алюминизированной стали с проходным сечением, соответствующим для данного двигателя внутреннего сгорания.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых представлена структурная схема работы устройства наддува (фиг. 1), структурная схема рабочих положений запорного элемента трехходового клапана (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4).
Устройство наддува для двигателя внутреннего сгорания (1) с турбокомпрессором включает в себя ресивер (2) с датчиком измерения давления (3) и аварийным клапаном давления (4), соединенный с трехходовым клапаном (5), выполненный с возможностью управления положением его запорного элемента посредством блока управления устройством наддува (6). Трехходовой клапан (5) своим первым выходом (7) подключен к выпускному коллектору ДВС (8), второй выход (9) трехходового клапана соединен с ресивером (2), а третий выход (10) трехходового клапана (5) соединен с входом в турбину (11) турбокомпрессора посредством выпускной магистрали (12). Компрессор (13) турбокомпрессора соединен своим входом с электронной дроссельной заслонкой ДВС (14), перед которой установлен воздушный фильтр (15). Электронная дроссельная заслонка ДВС (14) управляется блоком управления двигателя (16), который может также получать управляющие сигналы от блока управления устройством наддува (6).
Блок управления устройством наддува (6) выполнен с возможностью управления приводом трехходового клапана (5), подключения датчика измерения давления (3) и блока управления двигателем (16), таким образом, блок управления устройством наддува (6) позволяет управлять положением запорного элемента трехходового клапана (5) и тем самым управлять потоком отработавших газов в выпускной магистрали (12), а также управлять положением электронной дроссельной заслонки ДВС (14) при работе устройства наддува.
Трехходовой клапан (5) выполнен таким образом, что при повороте из крайнего положения на каждые 90 градусов его запорного элемента объединяются его выходы (7, 9, 10) в трех позициях: первый выход (7) с третьим (10), второй (9) с первым (7), и первый (7) со вторым (9) и третьим (10).
Аварийный клапан давления (4) позволяет ограничивать максимальное давление в ресивере (2) путем стравливания в атмосферу при превышении давления максимально допустимого.
Устройство наддува работает следующим образом. При работе на рабочем режиме ДВС (1) запорный элемент трехходового клапана (5) занимает первое положение (фиг. 2), в котором отработавшие газы идут по выпускному коллектору (8) двигателя внутреннего сгорания (1) и выпускной магистрали (12) напрямую к турбине (11) турбокомпрессора.
При снижении частоты вращения двигателя внутреннего сгорания (1) и перевода его в режим работы принудительного холостого хода, при котором отключена топливоподача, посредством блока управления двигателем (16), посылающего сигнал на блок управления устройством наддува (6), который переводит запорный элемент трехходового клапана (5) во второе положение (фиг. 3), в котором выпускной коллектор ДВС (8) соединяется только с объемом ресивера (2), блок управления устройством наддува (6) также посылает сигнал на блок управления двигателем (16) для открытия электронной дроссельной заслонки ДВС (14), тем самым пропуская весь объем воздуха, очищенного фильтром (15) в двигатель внутреннего сгорания (1). Двигатель внутреннего сгорания (1) в данном случае работает в качестве компрессора и накачивает воздух в ресивер (2) до тех пор, пока либо не поступит сигнал с датчика измерения давления (3) о том, что необходимое давление достигнуто, либо двигатель внутреннего сгорания (1) достиг частоты вращения, при которой возобновляется процесс топливоподачи.
При возобновлении процесса топливоподачи электронная дроссельная заслонка ДВС (14) возвращается в рабочее положение, блок управления устройством наддува (6) переводит запорный элемент трехходового клапана (5) в первое положение (фиг. 2), в котором ресивер (2) не соединен с выпускным коллектором (8) и выпускной магистралью (12), а из двигателя внутреннего сгорания (1) ввиду возобновления топливоподачи, отработавшие газы идут напрямую в турбину (11) турбокомпрессора.
В таком случае ресивер (2) наполнен сжатым воздухом и закрыт от выпускного коллектора (8) и выпускной магистрали (12) трехходовым клапаном (5), при дальнейшем снижении частоты вращения (например, при торможении транспортного средства) происходит переход работы двигателя внутреннего сгорания (1) на режим холостого хода. В случае очередного перехода работы двигателя внутреннего сгорания (1) на режим принудительного холостого хода блок управления устройством наддува (6) определяет значение давления в ресивере (2) по показаниям датчика измерения давления (3). Если давление номинальное, то ресивер (2) наполнен полностью и накачивание воздуха в ресивер не производится. Если давление в ресивере (2) ниже номинального, то блок управления устройством наддува (6), переводит запорный элемент трехходового клапана (5) во второе положение (фиг. 3), в котором выпускной коллектор (8) соединяется только с объемом ресивера (2), электронная дроссельная заслонка (14) ДВС открывается блоком управления двигателем (16) и производится накачивание ресивера (2) сжатым воздухом до номинального давления или начала процесса топливоподачи.
При повышении нагрузки на двигатель внутреннего сгорания (1) (например, при разгоне транспортного средства) блок управления устройством наддува (6) получает сигнал от блока управления двигателем (16) и определяет, что мощность двигателя внутреннего сгорания (1) недостаточна, то дает команду на привод трехходового клапана (5) и переводит запорный элемент в третье положение (фиг. 4), в котором ресивер (2) соединен с выпускной магистралью (12) и выпускным коллектором (8), а отработавшие газы, ввиду наличия топливоподачи, идут напрямую в турбину (11) турбокомпрессора, за счет этого в выпускной коллектор (8) и выпускную магистраль (12) подается сжатый воздух из ресивера (2) под высоким давлением, где он смешивается с отработавшими газами двигателя внутреннего сгорания и повышает давление отработавших газов.
После кратковременной подачи сжатого воздуха из ресивера (2) в выпускную магистраль (12) и выпускной коллектор (8) блок управления устройством наддува (6) переводит запорный элемент трехходового клапана (5) в первое положение (фиг. 2). За счет кратковременной подачи сжатого воздуха из ресивера (2) происходит повышение давления в выпускняй магистрали (12) и выпускном коллекторе (8), и кратковременно увеличивается мощность на валу (17) турбокомпрессора, за счет чего растет давление наддува, что приводит к увеличению мощности и частоты вращения двигателя внутреннего сгорания (1), что в свою очередь увеличивает температуру, расход и давление отработавших газов, которые обеспечивают необходимую мощность на валу турбокомпрессора без подачи сжатого воздуха из ресивера (2). Повышение давления в выпускной магистрали (12) и выпускном коллекторе (8) после подачи сжатого воздуха из ресивера (2) позволяет увеличить мощность турбокомпрессора и соответственно давление наддува, что позволяет повысить мощность двигателя внутреннего сгорания (1) в конкретной режимной точке до значений, которые не могут быть обеспечены только лишь работой турбокомпрессора, ввиду малой энергии отработавших газов и малой мощности турбокомпрессора в этой режимной точке без использования дополнительной энергии сжатого воздуха из ресивера (2).
При очередном переходе двигателя внутреннего сгорания (1) на режим принудительного холостого хода алгоритм повторяется.
Особенность данного устройства наддува заключается в том, что управление потоком газа между ресивером и выпускными магистралями обеспечено за счет одного трехходового клапана, что, в совокупности, с остальными конструктивными чертами устройства наддува, существенно упрощает конструкцию, повышает надежность и массогабаритные характеристики устройства наддува. При этом устройство наддува не оказывает отрицательного влияния на наполнение цилиндров двигателя, так как ресивер никак не связан с процессом смесеобразования топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя.