Двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом

 

Сущность изобретения заключается в том, что изменение обычного процесса разгона для работающих с газотурбинным наддувом двигателей внутреннего сгорания, в частности тех двигателей, которые используются в составе грузовых автомобилей в основном в нестационарном режиме, с использованием вспомогательного наддувочного воздуха, при котором полностью предотвращается усиленное дымообразовэние в отработавших газах. Все это достигается за счет соответствующего управления протеканием процессов в системах подачи топлива и наддувочного воздуха. 3 ил.

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (I I) ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

1 (21) 4742936/06 (22) 31.01.90 (46) 23.08.93. Бюл. М 31 (31) P 3906312,7 (32) 28.02,89 (33) ОЕ

- (71) Ман Нуцфарцойге АГ (DE) (72) Юрген Лоренц, Юрген Энснер и Нунцио

Д Альфонсе (DE) . (56) Заявка Великобритании hk 2120795, кл. F 02 0.23/02, опублик. 1984. (54) ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ

Изобретение касается двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом с улучшенной приемистостью.

Главными целями при разработке улучшенных приводных агрегатов для эксплуатации грузовых автомобилей являются хорошие характеристики пуска, малый расход топлива, а также по воэможности незначительное загрязнение окружающей среды отработавшими газами. Для осуществления этих целей в настоящее время все чаще используются работающие с наддувом двигатели с высокой величиной плотности мощности. Они. относятся к увеличению среднего эффективного давления в общем случае из газотурбинного нагнетателя. При этом дополнительное охлаждение наддувочного воздуха обусловливает дальнейшее . повышение эффективного среднего давления.

Работающие с газотурбинным наддувом дизельные двигатели с охлаждением наддувочного воздуха отличаются несколькими преимуществами по сравнению с без(sI)s F 02 В 37/02, F 02 L 23/02 (57) Сущность изобретения заключается в том, что изменение обычного процесса разгона для работающих с газотурбинным наддувом двигателей внутреннего сгорания, в частности тех двигателей, которые используются в составе грузовых автомобилей в основном в нестационарном режиме, с использованием вспомогательного наддувочного воздуха, при котором полностью предотвращается усиленное дымообразование в отработавших газах. Все это достигается за счет соответствующего управления протеканием процессов в системах подачи топлива и наддувочного воздуха. 3 ил.

В.

Ф 9 наддувочными двигателями благодаря . своей высокой удельной мощности, Это уменьшение относительной доли потерь на трение в иидицированной мощности, в ре- . зультате чего уменьшается расход топлива; уменьшение конструктивного объема, что обеспечивает возможность более гибкой реализации пространства салона; более низ-, 0р кая стоимость вследствие уменьшенного расхода на материалы.

Названным преимуществам противо. стоят известная проблема, связанная с за- Л медлением времени срабатывания V двигателей с газотурбинным наддувом (" огЬо1а9"); Недостаток воздуха во время, . протекания процессов разгона ведет, кроме того, к усилению дымообразования.

С целью улучшения приемистости известны различные предложения. Они основаны в основном на идее подвода недостающего в состоянии повышенной нагрузки количества воздуха к двигателю снаружи (нагнетание воздуха) или заблаговременной подготовки этого количества воздуха посредством уве3

1836577 личения числ» оборотов газотурбинного нагнетателя.

Так, например, известен способ, в соответствии с котЬрым нагнетание вспомогательного наддувочного воздуха во всасывающую трубу осуществляется с использованием дополнительного компрессора с вспомогательным приводом, При этом в случае необходимости может найти применение также накопитель сжатого воздуха, однако только для привода вспомогательного привода. При этом соответствующий обратный клапан расположен во всасывающей линии главного компрессора (см. описание изобретения к патенту ФРГ М 3100732).

При этом возникает тот недостаток, что в прЬцессе нагнетания воздуха сначала должен быть заполнен общий обьем линии (до .закрытого в этом случае обратного вентиля), в результате чего турбонагнетатель даже кратковременно притормаживается (уменьшение числа оборотов газотурбинного нагнетателя), Особенно неблагоприятной является такая конструкция обратного клапана при использовании устройства для охлаждения наддувочного воздуха, которая расположена между компрессором и всасывающей.трубой. Так как дополнительный воздух вырабатывается дополнительным турбонагнетателем, повышение давления в системе происходит относительно медлен. но; что в основном отвечает ожиданию улучшения приемистости для присутствующего случая использования, а именно использования для больших двигателей главным образом в стационарном режиме. Нагнетание воздуха осуществляется в данном случае относительно редко, причем большое количество сжатого воздуха вырабатывается медленно и сохраняется в состоянии готовности в течение длительного времени.

Более эффективное нагнетание воздуха, из которого исходят также в отношении родового признака, известно иэ описания изобретения (1}, так кэк в данном случае обратный клапан расположен в непосредственной близости от всасывающей трубы после компрессора. Предмет этой публикации (при этом число оборотов приводного двигателя генератора тока должно поддерживаться на неизменной величине) касается также улучшения проектной нагрузки и характеристики срабатывания работающих с . газотурбинным наддувом двигателей за счет подготовки достаточного количества сжатого воздуха.

В случае нестационарного режима эксплуатации транспортного средства, в частности при эксплуатации грузового автомобиля, при которой необходимость в

55 ределенного числа оборотов на неизменной величине возникает обязательная необходимость деблокирования повышенного количества впрыскивэемого в камеру сгорания топлива практически одновременно с нагнетанием воздуха во всасывающую трубу. В результате этого в течение времени, протекающего между моментом неожиданного увеличения количества впрыскивэемого нагнетании воздуха возникает весьма часто, необходимо не только улучшить время разгона. но и устранить возникающий при разгоне дымовой удар (в частности, должно достигаться уменьшение частиц); Известные публикации не указывают в этой связи на какие-либо решения.

В соответствии с желанием водителя при обычном процессе разгона из режима .1 О малой нагрузки и пониженного числа оборотов в результате нажатия педали акселератора происходит резкое увеличение, количества топлива в камере сгорания двигателя, в результате чего начинается разгон.

В этот момент в камере сгорания существуют недостаточные состояния форми ровани. смеси, то есть возникающее во впускном канале. завихрение, возникаюЩая в камере сгорания турбулентность, э также распыле20 ние и распределение топлива являются слишком неблагоприятными для чистого сжигания увеличенного количества топлива, Этот известный факт относится как к безнаддувным двигателям, тэк и к двигателям с турбонаддувом. Тэк как при работающих с наддувом двигателях, в частности при работающих с газотурбинным наддувом двигателях, эта проблема является более существенно вследствие инерционности нэд30 дувочной группы по сравнению с безнэддувными двигателями, двигатели с гаэотурбинными нагнетэтелями оснащаются работающим в зависимости от давления .. наддува устройством для ограничения коли35 чества топлива (0А). Это регулирование

LDA обеспечивает при процессе разгона деблокирование количества топлива в соответствии с давлением наддува, однако с необходимым избытком для разгона.

40 Количество топлива не может ограничиваться устройством таким образом, что качество отработавших газов принимает столь же благоприятные величины, что и в стационарном режиме, так как в ином случае раз45 гон автомобиля уже не будет приемлемым, Также и использование соответствующего родовому признаку нагнетания воздуха в соответствии с описанием изобретения к патенту США t4 3673796 не способствует

5О улучшению отработавших газов, тэк как в данном случае — с целью поддержания оп1836577 топлива и моментом поступления сжатого воздуха, в камере сгорания действует описанная выше фаза недостаточного обеспечения дутьевым воздухом. В этих обстоятельствах следует считаться с повышенным дымообраэованием.

По этой причине задачей изобретения является такое изменение обычного процесса разгона для работающих с газотур- . бинным наддувом двигателей внутреннего 10 сгорания, в частности тех двигателей, которые используются в составе грузовых автомобилей в основном в нестационарном режиме, с использованием соответствующего родовому признаку подвода вспомога- 15 тельного наддувочного воздуха, при котором полностью предотвращается усиленное дымообразованием в отработавших газах (в частности, увеличение частиц).

В соответствии с изобретением эта за- 20 дача решается с помощью отличительных признаков пункта 1, . Исходной точкой для разгона является

- в случае изобретения, как и прежде, желание водителя. Нажатие на педаль акселера- 25 тора не обуславливает, однако, более незамедлительного увеличения количества топлива, а сначала осуществляется нагнетание дополнительного воздуха в двигатель.

Только после этого увеличивается количест- 30 во топлива и его согласование с присутствующим количеством воздуха. За счет этого обеспечивается присутствие в камере сгорания постоянно достаточно высоких количеств воздуха при впрыске повышенного 35 количества топлива, Для того, чтобы обеспечить по возможности быстрое увеличение присутствующей .в газовой турбине турбонагнетателя энер- гии и в результате этого ускорение турбо- 40 наг метателя осуществляется такое согласование введенного количества воздуха и зависимого от него создаваемого давления во всасывающей трубе, при котором обусловленное недостаточным давлением 45 наддува сдерживание максимально выставленного количества топлива со стороны устройства 0А.обычно предусмотренного в топливном насосе работающего с газотурбинным наддувом дизельного двигателя, 5О незамедлительно устраняется при разгоне за счет шунтирования механизма LDA. Сжигание введенного таким образом макси. мального количества топлива для полной нагрузки осуществляется в этом случае беэ 55 видимого дымообразования. Это предполагает подключение устройства L0A к всасывающей трубе.

С учетом менее сильного разгона турбонагнетателя, который может оказаться желательным в некоторых случаях использования, устройство LDA может подключаться также в области между обратным клапаном и компрессором турбонагнетателя. В результате этого отпадает шунтирование устройства L0A с помощью дополнительного воздуха.

Все это достигается в соответствии с изобретением эа счет соответствующего управления протеканием процессов в системах подачи топлива и наддувочного воздуха.

При этом нагнетание воздуха должно начинаться максимально эа две секунды до достижения количества для полной нагрузки и осуществляться максимально в течение двух секунд. В качестве особо благоприятного — исходя из использования шестицилиндрового дизельного двигателя с рабочим обьемом около 7 л и с максимальным эффектным средним давлением около 16 бар— зарекомендовало себя начало нагнетания за 0,4 — 0,5 с до достижения количества полной нагрузки, а также длительность нагнетания, составляющая от 0,5 до 0,8 с (при давлении 6 бар в накопителе сжатого воздуха). Подвод увеличенного количества топлива вплоть до момента достижения. количества для полной нагрузки может осуществляться скачкообразно, то есть после истечения указанного выше промежутка времени механизм регулирования количества топлива топливного насоса срабатывает скачкообразно, Увеличение количества топлива может иметь, однако, также и до момента достижения максимального количества топлива (количество полной нагрузки) характеристику перепада, то есть рычаг регулирования количества топлива топливного насоса перемещается с замедленной скоростью.

Преимущества и необходимые модификации описаны в признаках дополнительных пунктов формулы изобретения.

Подробности изобретения приведены в последующем описании чертежа.

На фиг.1 показан в схематическом изображении двигатель во взаимодействии с компонентами турбонагнетателя и устройств для обеспечения дополнительным воздухом и топливом; на фиг.2 и 3 — диаграммы достижения максимального количества топлива (количество для полной нагрузки) после начала процесса нагнетания воздуха.

На фиг.1 позицией 1 обозначен двигатель внутреннего сгорания, позицией 2— газотурбинный нагнетатель. Турбина 3 турбонагнетателя 2 соединена с помощью коллекторной линии 4 отработавших газов с двигателем 1 внутреннего сгорания. Компрессор 5 осуществляет всасывание воздуха через всасывающую линию 6, в которой пре1836577 дусмотрен фильтр 7, и транспортирует затем сжатый воздух по линии 8, в которую встроено устройство 9 для охлаждения наддувочного воздуха, во всасывающую трубу

11 (коллекторная линия наддувочного воздуха) двигателя 1 внутреннего. сгорания. В ходе этого процесса один, присутствующий s линии (наддувочного) воздуха автоматический вентиль 10 (обратный вентиль или обратный клапан) находится в открытом положении.

К всасывающей линии 6 через дополнительйую линию 6а подключен следующий компрессор 12. Последний приводится в действие двигателем внутреннего сгорания и служит для выработки воздуха для пневматического торможения, После того, как в (не изображенном) ресивере тормозной системы будет достигнут определенный уровень давления производится открывание вентиля 16 в линии 13, в результате чего сжатый компрессором 12 воздух передается по линии 13 к ресиверу 14. Заполнение последнего осуществляется до достижения определенного давления (регулировка осуществляется с помощью регулятора 15 давления, дополнительно встроенного в линию

13). Верхняя граница давления воздуха зависит от максимального давления в тормозной системе, Возможен также случай, при котором дополнительный. компрессор 12 запитывает исключительно ресивер 14. В этом случае давление в ресивере может превышать по величине давление в тормозной системе и, кроме того, отпадает линия, ведущая к тормозной системе, а также вентиль 16 в линии 13.

Накопленный в ресивере 14 сжатый воздух используется для.компенсации возникающего при разгоне или трогании с места в двигателе внутреннего сгорания недостатка наддувочного воздуха (вследствие отсутствия в этом случае достаточной энергии отработавших газов). С этой целью предусмотрена дополнительная линия 17, в которую встроен магнитный вентиль 18. Последний обуславливает в открытом состоянии нагнетание воздуха непосредственно во всасывающую трубу 11. 3а счет соответствующего родовому признаку расположения (в конце линии 8 наддувочного воздуха, непосредственно перед входом этой линии во всасыввющую трубу 11 двигателя 1 внутреннего сгорания) автоматического вентиля

10, который находится в закрытом положении при нагнетании воздуха, достигается оптимальное использование подведенного дополнительного сжатого воздуха. Практически не происходит потерь воздуха и обес5

25

55 печивается незамедлительное создание давления. В результате этого значительно уменьшается время ускорения, Сигнал о начале нагнетания сжатого воздуха определяется положением педали

19 акселератора. Сразу после нажатия водителем на педаль акселератора срабатывает звено 21 задержки устройства для впрыска топлива (звено 21 задержки воздействует при этом на механизм регулирования количества топлива топливного насоса 22 с целью задержки его срабатывания или перемещения с определенной скоростью). После достижения педалью акселератора позиции полной нагрузки или положения, расположенного вблизи позиции полной нагруз . (приблизительно 80 — 95 общего пути движения педали, причем предполагается, что существует пропорциональное отношение между путем движения педали и количеством впрыскиваемого топлива) срабатывает система 20 управления нагнетанием воздуха. Нагнетание воздуха осуществляется в этом случае скачкообразно за счет быстрого отпирания магнитного вентиля 18. Отпирание магнитного вентиля 18 может как еще будет описано ниже, зависеть также от определенного числа оборотов двигателя или скорости движения автомобиля.

Система 20 управления, которая может иметь электрическую или пневматическую конструкцию, обеспечивает отпирание магнитного вентиля 18 на определенное время, В течение этого времени сжатый воздух поступает из ресивера 14 во всасывающую трубу 11. После того, как давление во всасывающей трубе 11 превысить по величине давление наддува в линии 8 (после устройства 9 для охлаждения наддувочного воздуха), происходит эапирание автоматического вентиля (обратного клапана 10), Таким образом, необходимо заполнить лишь объем всасывающей трубы, в результате чего обеспечивается быстрое обеспечение двигателя внутреннего сгорания наддувочным воздухом.

В соответствии с изобретением в течение описанного процесса заполнения всасывающей системы двигателя не производится впрыска увеличенного количества топлива при увеличении количества впрыскиваемого топлива осуществляется с использованием такого перепада, что в цилиндре благодаря повышенному во всасывающей трубе эа счет нагнетания воздуха давлению воздуха обеспечивается достаточный наддув свежего воздуха, необходимого для сжигания существующего количества топлива беэ образования сажи. Необходимое вмешательство во временной процесс дозирования топ1836577

10

20

55 лива может быть наиболее несложным образом осуществлено в том случае, если передача сигналов осуществляется по электрическому или электронному принципу. При этом звено 21 задержки встроено в электронную систему управления для топливного насоса 22, Оно может быть расположено также в системе управления электрического серводвигателя (электронная педаль акселератора).

Обуславливая таким образом замедление процесса увеличения количества топлива. Замедление позирования топлива может осуществляться также с помощью механической системы управления (например пневматической или гидравлической).

На фиг.2 и 3 изображены временные диаграммы движения "а" педали акселератора, увеличения "b" количества топлива и движения "с" магнитного вентиля для нагнетания воздуха в процессе разгона. При этом оси абсцисс соответствует время в секундах, а осй ординат — путь перемещения педали, а также количества топлива (выраженные в процентах). Таким же образом на оси ординат дополнительно изображено движений отпирания вентиля, обеспечивающего нагнетание воздуха.

В соответствии с изображенным на фиг.2 полное количество топлива вводится с задержкой после истечения предусмотренного времени, которое необходимо для заполнения цилиндров двигателя сжатым воздухом, нагнетаемым во всасывающую трубу. В отличие от этого увеличение количества топлива на фиг.3 имеет характеристику перепада, которая изображена линейно лишь в качестве примера.

На обеих фигурах временное различие между моментом начала нагнетания и моментом достижения количества для полной нагрузки (начало полного впрыска топлива) выражено с помощью ссылочного обозначения 23. Длительность нагнетания определяется участком 24.

После начала нагнетания воздуха его воздействие в прямом подключении продолжается также и в системе отработавших газов. Вследствие возросшего на основании сжигания увеличенного количества топлива перепада энтальпии в турбине 3 происходит ускорение ее работы и вместе с ней рабочего колеса 5 компрессора, Этот эффект дополнительно усиливается в случае скачкообразного увеличения количества топлива за счет сжигания последнего так как теперь происходит усиленное возрастание как количества отработавших газов, так и их энтальпии на основании соответствующего изобретению протекания процесса нагнетания воздуха, Быстрое увеличение числа оборотов связанного с газовой турбиной компрессора 5 обусловливает быстрое увеличение давления наддува в линии 8 наддувочного воздуха, После завершения нагнетания давление в линии 8 превышает по величине давление во всасывающей трубе

11, в результате чего обратный клапан 10 вновь открывается. Разгон двигателя возрастает теперь до такой степени, что давление наддува находится на высоком уровне и более не возникает обусловленного нестационарными условиями повышения дымообразования. К этому моменту времени система 20 уже обеспечила запирание магнитного вентиля 18 с целью ограничения до необходимой величины количества нагнетаемого воздуха (в зависимости от типа двигателя или случая нагрузки происходит нагнетание стандартного объема воздуха, который составляет от 5- до 50-кратной величины рабочего объема того или иного двигателя), Предпочтительно осуществляется нагнетание от 10- до 20-кратной величины от рабочего объема, причем давление в ресивере 14 может составлять от 2 до 16 бар, Оптимальный промежуток времени для нагнетания воздуха согласуется с тем или иным случаем использования.

С целью предотвращения нежелательного расхода сжатого воздуха, когда двигатель или автомобиль эксплуатируются при более высоком числе оборотов или скорости, то есть в случаях, когда турбонагнетатель уже работает с более высоким числом оборотов, используются устройства, которые блокируют процесс нагнетания воздуха при определенном, согласованном с режимом эксплуатации автомобиля числе оборотов двигателя или скорости движения автомобиля. Эта задача может несложным образом решаться с помощью реле, которые работают с управлением от генератора или датчиков числа оборотов.

Реле контроля состояния покоя, которое также работает с управлением от генератора, предотвращает нагнетание сжатого воздуха во всасывающую трубу при отключенном двигателе.

При наличии электронного узла регулирования топливного насоса обеспечивается наиболее благоприятная возможность реализации системы управления нагнетанием воздуха. В данном случае нагнетание воздуха может ограничиваться теми случаями. когда наряду с достижением позиции полной нагрузки или положения педали акселератора вблизи позиции полной нагрузки (приблизительно от 80 до 95";ь) дополнительно обеспечивается срабатывание педали акселератора со скоростью, которая

11 превыеает заданную. щцюговую величйну

1836577

12 эано), а может осуществляться в несколько (@рамя, протекающее меж, цу:достижением этапов или эа счет тактированной работы

: позиций. холОстого хода.и полной нагрузки, магнитного вентиля 18.

:.состввляет от.0,1 до.2 с). В соответствии с Изобретение может использоваться этим. За Счат эадаймя характеристики пре- 5 применительно к беэнаддувным двигатедельного числа "оборотов (в зависимости-от--, . - лям, . которые имитируют дымовой выхлоп момента.или нагрузки) нагнетание. воздуха при разгоне с нижнего холостого хода может опрвделяться для::рабочих диапазонов, лежащих ниже определенного числа Форму.ла изобретения оборотов; Кроме того, возникает преимуще- 10 нагрузки является особенно уменьшенной . сажи на переходных режимах работы двига(например, отсутствие пробуксовывания 25 теля путем регулирования подачи топлива и сцеаламия), в результате чего обеспечивает- сжатого воздуха. он снабжен звеном задерся аезможность оптимальной регулировки жки подачи топлива относительно увеличенпаравеетрвв нагнетания воздуха, котОрыа ной подачи воздуха, которое выполнена с определяют вго временную характеристику. воэможностью регулирования изменения

Преимущества нагнетания воздуха вес- ЗО подачи топлива либо скачкообразно, либо в новном сохраиефтся также при взаимодей- виде нарастающего процеНа и подключено стеии с механическими коробками передач. к системам управления и подачи топлива.

В этом случае инициация процесса нагнета- 2. Двигатель по п.1. о т л и ч а ю щ и йния евнуха зависит также от срабатывания с я тем, что звено задержки выполнено сцепления, а также от включенной переда- 35 электронным. чи.. 3. Двигатель по пп.1 и 2. от л и ч а юХарактеристика описанного нефиг.2 и 3 шийся тем, что в трубопроводе подачи увеличения количества топливЬ может быть сжатого воздуха из аккумулятора установреализована также и в соответствии с дру- лен доэирующий магнитный клапан.. гиии закономерностями, которые зависят 40 4. Двигатель по пп.1-3, отл ича ю щи йот типа звена 21 задержки и способа nona.- ся тем, что компрессор тормозной системы дания сжатого воздуха в цилиндры двигате- выполнен с приводом от двигателя и связан ля, Таким же образом нагнетание воздуха: подводящим трубопроводом с аккумулятодолжно осуществляться не сразу (как пока- ром сжатого воздуха, 1

l г ° !

ctao; выраженное в возможности реализэ- .: 1. Двигатель внутреннего сгорания а гации любым образом функции повышения . зотурбинным наддувом, преимущественно количества впрыскиваемого топлива (фиг.2,. автомобиля, снабженного тормозной систегде присутствует функция скачка).. мой с компрессором„содержащий турбоОсобеино предпочтительным окаэыва- 15 компрессор, подключенный воэдуховодом к. ется использование изобретения примени- всасывающей трубе двигателя, аккумулятор тельно в к автобусам (автобусам, " сжатого воздуха, сообщенный с всасываювыполмяющим движение по маршруту с ос- щей трубой через трубопровод и автоматитановками), приводная ветвь которыхосна- ческий обратный клапан, систему подачи щена гидравлическим преобразователем с 20 топлива и систему управления, включаюавтомачмческой коробкой передач. В этом . щую педаль акселератора и управляющие случае возможность индивидуального оказа- средства подачей топлива, о т л и ч а ю щ и й. ния влияния на временную характеристику с я тем; что, с целью уменьшения выброса

18365-77

1836577.а"

3W 46

Й7 фыгЗ

Составитель

Редактор Л. Письман Техред М.Моргентал

Корректор Н. Милюкова

Производственно-издательский комбинат "Патент"., г. Ужгород,"ул. Гагарина, 1Ф

- Заказ 3015 Тираж. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-З5, Раушская наб., 4/5