ТУРБОКОМПРЕССОР ДЛЯ НАДДУВА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
TURBINE COMPRESSOR FOR BOOSTING OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к комбинированным двигателям внутреннего сгорания с регулируемым наддувом.
Наддув является наиболее эффективным способом повышения эффективной мощности двигателя с одновременным улучшением экономичности на номинальном и близких к нему режимах.
Тем не менее, применение газотурбинного наддува, наряду с преимуществами, имеет ряд существенных недостатков, главный из которых - снижение экономичности двигателя на частичных нагрузочных режимах вплоть до 70-80% (а в некоторых случаях и более) от номинальной мощности двигателя, форсированного наддувом. Кроме того, при снижении температуры окружающего воздуха происходит увеличение плотности воздушного заряда, поступающего в цилиндры двигателя, что ведет к увеличению массового наполнения цилиндров воздухом и улучшению процесса сгорания. В связи с этим зона экономичной работы двигателя с выключенным турбокомпрессором смещается в сторону больших нагрузок. Например, при испытаниях двигателя СМД-62 с турбокомпрессором и без него при температуре окружающей среды (ОС) минус 33°C двигатель без наддува имел более высокую экономичность по сравнению с наддувным при нагрузке вплоть до 93% от номинальной.
Снижение экономичности автотракторного дизеля на частичных нагрузках объясняется тем, что мощность, развиваемая турбиной и расходуемая на работу компрессора, обеспечивается за счет части энергии выпускных газов и части эффективной мощности двигателя, которая затрачивается на преодоление сопротивления в период принудительного выталкивания газов из цилиндров. Таким образом, часть эффективной мощности двигателя расходуется на привод турбокомпрессора, который обеспечивает подачу избыточного количества воздуха в цилиндры двигателя.
Учитывая, что значительную часть времени тракторы, выполняя сельскохозяйственные операции, работают на частичных режимах, создание простых и надежных устройств, которые могли бы сочетать преимущества безнаддувных двигателей с наддувными, является очень важным для машиностроителей и потребителей.
В настоящее время наиболее широкое распространение получили устройства, осуществляющие перепуск газов мимо турбины, а в ряде случаев и воздуха мимо компрессора.
Известен регулируемый эжектор, с помощью которого можно изменять расход отработавших газов, поступающих на привод турбины (заявка Японии №60-22024, STRUCTURE OF VARIABLE EJECTOR IN EXHAUST TURBINE, кл. F02B 37/12, 1986 год;).
В известном решении проточная часть турбины имеет основной и дополнительный газовые каналы. В качестве регулирующего элемента использовано подвижное сопло переменной геометрии. Сопло может открывать или закрывать дополнительный канал. Когда дополнительный канал закрыт, вся масса отработавших газов проходит через проточную часть турбины. При перемещении соплового кольца вдоль оси турбокомпрессора дополнительный канал открывается, и отработавшие газы проходят через дополнительный канал непосредственно в выпускную трубу, минуя проточную часть турбины.
Недостатки устройства:
1. Большой объем перепускного канала не позволяет полностью использовать энергию импульсов давления отработавших газов, образующихся в момент открытия выпускных клапанов, что значительно ухудшает показатели двигателя на всех режимах.
2. При возвратно-поступательном движении соплового кольца появляется возможность заклинивания сопрягаемых поверхностей, чему может способствовать нагар, образующийся на поверхности проточной части турбины.
3. Отсутствует возможность подачи воздуха в двигатель, минуя компрессор, когда последний является сопротивлением на линии всасывания.
Известно также устройство, позволяющее менять количество отработавших газов, поступающих на привод турбины, с помощью подвижной управляющей вставки с целью кратковременного увеличения мощности турбокомпрессора (Patent No.: US 6,715,288 B1; Controllable exhaust gas turbocharger with a double-fluted turbine housing; Date of Patent: Apr. 6, 2004).
Устройство состоит из корпуса турбины, колеса турбины, главного канала, дополнительного канала и подвижной управляющей вставки. Данное устройство работает следующим образом. На форсированном режиме управляющая вставка находится в крайнем левом положении, перекрывая дополнительный канал. Выпускные газы поступают на рабочее колесо турбины только из основного канала с максимальной скоростью. При частичной загрузке двигателя вставка сдвигается в среднее положение, открывая оба канала. При необходимости отключения турбокомпрессора вставка переводится в дальнее от ротора положение, и газы через дополнительный канал и образовавшуюся щель свободно попадают в выхлопную трубу.
Недостатки устройства:
1. Большой объем перепускного канала не позволяет полностью использовать энергию импульсов давления отработавших газов, образующихся в момент открытия выпускных клапанов, что значительно ухудшает показатели двигателя на всех режимах.
2. При возвратно-поступательном движении подвижной вставки появляется возможность заклинивания сопрягаемых поверхностей, чему может способствовать нагар, образующийся на поверхности проточной части турбины.
3. Отсутствует возможность подачи воздуха в двигатель, минуя компрессор, когда последний является сопротивлением на линии всасывания.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство, которое предназначено для сокращения времени прогрева катализатора двигателя внутреннего сгорания за счет перепуска отработавших газов мимо проточной части турбины и одновременного перепуска воздуха, минуя компрессор (ЕР 1219799 А2; Exhaust gas turbine for internal combustion engine and exhaust turbo-supercharger; Date of publication 3.07.2002; Hitachi, Ltd.).
Перепуск воздуха необходим, так как при неработающей турбине на линии всасывания создается излишнее сопротивление. Устройство содержит турбокомпрессор, канал для перепуска отработавших газов мимо турбины, перепускной клапан, который управляется исполнительным механизмом, подвижную вставку, которая служит для перепуска мимо компрессора, перемещаясь вдоль оси вала турбокомпрессора, и исполнительный механизм.
Данное устройство работает следующим образом. Во время пуска и послепускового прогрева перепускной клапан открывается, и отработавшие газы направляются в катализатор, минуя турбину. Таким образом, время прогрева катализатора сокращается по сравнению с системами без перепуска газов. Для снижения сопротивления воздуха на линии всасывания подвижная вставка перемещается в крайнее левое положение, увеличивая зазор между колесом компрессора и его корпусом.
Недостатки конструкции:
1. Большой объем перепускного канала не позволяет полностью использовать энергию импульсов давления отработавших газов, образующихся в момент открытия выпускных клапанов, что значительно ухудшает показатели работы турбокомпрессора и, соответственно, двигателя на всех режимах.
2. Наличие клапанов усложняет конструкцию турбокомпрессора и, как следствие, увеличивает аэродинамические потери и снижает надежность работы устройства.
Технической задачей изобретения является повышение топливной экономичности двигателя и надежности работы регулируемого турбокомпрессора. Поставленная задача решается за счет частичного или полного отключения турбокомпрессора при работе двигателя на холостом ходу, частичных режимах и номинальном режиме, когда давление наддувочного воздуха избыточно или не соответствует оптимальному значению.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что турбокомпрессор имеет профилированные обводные каналы для сообщения зон высокого и низкого давления. При работе двигателя на холостом ходу и частичных нагрузках турбокомпрессор работает в режиме «Турбокомпрессор выключен». В данном случае отработавшие газы делятся на два потока: часть идет через обводные каналы и далее в выхлопную трубу, другая часть проходит через сопловый аппарат турбины. Обводные каналы - ряд совпадающих отверстий, выполненных в корпусе проточной части турбины и поворотной втулке. Причем отверстия выполнены под углом к оси ротора турбокомпрессора, что способствует снижению противодавления, вращающемуся ротору за счет эффекта эжекции отработавших газов. При перемещении поворотной втулки на некоторый угол отверстия, расположенные на поверхности корпуса проточной части турбины, перекрываются боковой поверхностью втулки. Турбокомпрессор переходит в режим «Турбокомпрессор включен». Проходное сечение основного канала остается постоянным при любом положении поворотной втулки.
-1
Такое конструктивное решение позволяет при работе двигателя на холостом ходу и частичных нагрузках поддерживать работу турбокомпрессора в «горячем» режиме. «Горячий» режим - работа турбокомпрессора со свободным выхлопом через обводные каналы. Вращение ротора турбокомпрессора в данном случае осуществляется в основном за счет бросовой энергии выхлопных газов (энергии импульсов). По имеющимся экспериментальным данным частота вращения ротора турбокомпрессора при этом, например, у двигателя СМД-62 может быть в пределах 8-22 тыс. мин. Данный эффект сокращает время разгона ротора турбокомпрессора на переходных режимах, например, при характерном для тракторных дизелей резком увеличении нагрузки. Кроме того, работа турбокомпрессора в «горячем» режиме без противодавления в выхлопном коллекторе способствует некоторому снижению мощности двигателя, затрачиваемой на насосные ходы, вызывая дополнительное повышение его экономичности. Для устранения возможного воздушного «голодания» двигателя в период пуска или резкого увеличения нагрузки подача воздуха в воздушный коллектор двигателя осуществляется из атмосферы через обратный воздушный клапан и, частично, через проточную часть компрессора. Клапан может быть размещен в воздушном коллекторе или встроен в конструкцию компрессора. Для этой цели в компрессоре предусмотрен перепускной канал, соединяющий зоны нагнетания и всасывания воздуха. В канале установлен эластичный обратный клапан, изготовленный из термостойкой резины или другого эластичного и термостойкого материала, перекрывающий перепускной канал при создании компрессором давления в воздушном коллекторе.
Авторам и заявителю неизвестны технические решения, в которых использовались бы отличительные признаки заявляемого решения. Предлагаемая конструкция турбокомпрессора, как показали испытания, обладает высокой надежностью и обеспечивает регулирование в широком диапазоне пропускной способности турбины, вплоть до ее полного отключения.
Кроме того, данная конструкция позволяет уменьшить габариты устройства, избежать заклинивания поворотной втулки при высоких температурах отработавших газов, снизить противодавление при полном открытии перепускного канала.
На чертеже изображен предлагаемый турбокомпрессор. Турбокомпрессор включает в себя колесо турбины 1, венец сопловый 2, корпус турбины 3, вставку турбины 4, втулку поворотную 5, отверстия перепуска газов 6, кольцо упорное 7, рычаг 8, исполнительный механизм 9, корпус компрессора 10, канал перепускной воздушный 11, полость всасывания 12, полость нагнетания 13, обратный клапан 14, отверстия для перепуска воздуха 15, вставку компрессора 16.
В корпусе турбины 3 установлена поворотная втулка 5, которая удерживается от осевого перемещения с помощью упорного кольца 7. На цилиндрической поверхности вставки турбины 4 и поворотной втулки 5 выполнен ряд отверстий 6, соединяющих зоны высокого и низкого давления турбины. Причем оси отверстий, образующих перепускные каналы, ориентированы по направлению движения газов в выпускном тракте турбины.
На боковой поверхности корпуса компрессора 10 выполнены отверстия 15 для перепуска воздуха, соединяющие полости нагнетания 13 и всасывания 12 компрессора. Перепускной канал 11 находится между торцевыми стенками корпуса компрессора 10 и вставки компрессора 16. На всасывающем патрубке корпуса 10 компрессора установлен обратный клапан 14.
Турбокомпрессор работает следующим образом. Когда отверстие 6 на цилиндрической поверхности вставки 4 перекрыто боковой поверхностью поворотной втулки 5, отработавшие газы, поступающие в улиточный корпус 3 турбины, проходят через сопловый венец 2 и попадают на лопатки колеса турбины 1. За счет энергии отработавших газов колесо 1 турбины начинает вращаться, а вместе с ним вращается и колесо компрессора. Воздух компрессором сжимается и подается в двигатель.
За счет разности давлений в полости нагнетания 13 и всасывания 12 перепускной канал 11 перекрывается обратным клапаном 14. Турбокомпрессор работает в режиме «турбокомпрессор включен».
При перемещении поворотной втулки 5 исполнительным механизмом 9 через рычаг 8 на определенный угол перепускные отверстия 6 во вставке турбины 4 и поворотной втулке 5 совпадают, турбокомпрессор переходит в режим «турбокомпрессор выключен». Отработавшие газы на этом режиме идут двумя потоками: часть газов идет через сопловый аппарат турбины, а вторая часть - через обводные каналы.
Поскольку перепускные каналы сориентированы по направлению движения газов, в выпускном канале турбины создается эффект эжекции, что повышает эффективность работы турбины за счет более полного использования энергии отработавших газов. Кроме того, величиной перепуска можно управлять, изменяя с помощью исполнительного механизма 9 угол поворота поворотной втулки 5 относительно вставки 4 и, тем самым, проходное сечение перепускных каналов. Исполнительный механизм может быть гидравлическим, пневматическим или электрическим.
Работа турбины на данном режиме осуществляется в основном за счет энергии импульсов давления, имеющих место в выхлопном тракте, возникающих в момент открытия выпускного клапана. По этой причине подача воздуха компрессором уменьшается, вследствие чего в полости нагнетания 13 компрессора из-за всасывающего действия поршней двигателя создается разрежение, обратный клапан 14 открывает перепускной канал 11 и воздух подается в двигатель непосредственно из атмосферы, минуя компрессор.
Таким образом, применение регулирующего элемента в виде поворотной втулки позволяет улучшить условия работы сопрягаемых поверхностей и исключить возможность их заклинивания, а выполнение перепускных каналов, соединяющих зоны нагнетания и всасывания в корпусе компрессора, и их перекрытие обратным клапаном приводит к уменьшению габаритов устройства и повышению надежности конструкции системы регулирования.