Двухтопливный газобензиновый двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом

 

Использование: в двигателестроении, в двухтопливных двигателях внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом. Сущность изобретения: двухтопливный газобензиновый двигатель внутреннего сгорания, содержащий трубопроводы, карбюратор, переходник-смеситель, воздушный фильтр, магистраль подачи бензина в карбюратор с электромагнитным клапаном и фильтром, магистраль подачи газа, редукторы высокого и низкого давления, он снабжен турбокомпрессором со всасывающим, воздухонапорным и газоприемным патрубками, органом перепуска выпускных газов, воздушным распределительным устройством в виде проставки. 2 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а более конкретно к двухтопливным двигателям внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, используемым преимущественно на автомобилях.

Известны двигатели внутреннего сгорания с газотрубным наддувом, содержащие поршневой двигатель внутреннего сгорания с установленной в выпускном трубопроводе газовой турбиной турбокомпрессора, рабочее колесо которой установлено на одном валу с ротором центробежного нагнетателя, расположенного во впускном трубопроводе. (Двигатели внутреннего сгорания, Устройство и работа поршневых и комбинированных деталей. Под ред. А.С. Орлина, М. Машиностроение, 1970, с.7-8).

При наддуве плотность воздуха повышается и, следовательно, увеличивается количество свежего заряда, поступившего в цилиндр при впуске по сравнению с зарядом воздуха в том же двигателе без наддува.

Однако карбюраторные бензиновые двигатели с газотурбинным наддувом обладают рядом недостатков. Эти недостатки заключаются в том, что вместе с повышением давления наддува возрастают давление и температура смеси в конце сжатия, вследствие чего сгорание смеси легко приобретает детонационный характер. С целью избежания детонации приходится или понижать степень сжатия карбюраторного двигателя, или использовать более дорогой бензин с повышенным октановым числом.

Из известных двигателей внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом наиболее близким по технической сущности и по достигаемому результату является двигатель внутреннего сгорания (Григорьев Е.Г. Колубаев В.Д. Ерохов В. И. и др. Газобаллонные автомобили, 1989, с. 37, рис.12), содержащий впускной трубопровод с закрепленными на нем последовательно карбюратором, переходником-смесителем с патрубками впуска воздуха и газа и воздушным фильтром, выпускной трубопровод для выпуска отработавших газов из выпускного коллектора в атмосферу, магистраль для подачи бензина в карбюратор, снабженную электромагнитным клапаном с топливным фильтром, магистраль подачи газа в переходник-смеситель, в которой последовательно установлены редуктор высокого давления, электромагнитный клапан с газовым фильтром и двухступенчатый редуктор низкого давления.

Однако известные двигатели внутреннего сгорания обладают рядом существенных недостатков. Эти недостатки заключаются в том, что перевод работы двигателя с бензина на сжатый природный газ (при неизменной степени сжатия) сопровождается снижением его максимальной мощности на 18-22% что влечет в свою очередь снижение грузоподъемности автомобиля. Кроме того, снижение максимальной мощности газовых двигателей, работающих на сжатом природном газе, сопровождается ухудшением тягово-динамических и эксплуатационных характеристик автомобиля.

Для повышения мощностных и экономических показателей работы двигателя на частичных и полных нагрузках путем улучшения регулирования состава газовоздушной смеси, предлагается двухтопливный газобензиновый двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, снабженный турбокомпрессором с всасывающим, воздухонапорным и газоприемным патрубками, последний из которых сообщен с выпускным трубопроводом, снабженным органом перепуска выпускных газов с приводом управления, а между воздушным фильтром и переходником-смесителем установлено воздушное распределительное устройство в виде проставки, внутри которой соосно с ней размещена автоматическая перегородка, выполненная в виде седла, с размещенными внутри него на одной общей оси двух заслонок, кинематически связанных между собой стяжной пружиной, разделяющих внутреннее пространство проставки на две полости, одна из которых сообщена с воздушным фильтром и с всасывающим патрубком турбокомпрессора, а другая с переходником-смесителем и, через нагнетательный трубопровод, с воздухонапорным патрубком турбокомпрессора, причем нагнетательный трубопровод сообщен с наддиафрагменными полостями первой и второй ступеней редуктора низкого давления.

На фиг. 1 схематично показано устройство двухтопливного газобензинового двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом; на фиг.2 седло с размещенными внутри него заслонками.

Двухтопливный газобензиновый двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом содержит магистральный вентиль 1, подогреватель газа 2, одноступенчатый редуктор высокого давления 3, электромагнитный клапан с газовым фильтром 4, двухступенчатый газовый редуктор низкого давления 5 и газовый переходник-смеситель 6, сообщенные между собой газовыми трубопроводами высокого давления 7, 8, 9 и 10 и трубопроводами низкого давления 11 и 12.

Бензиновая система для подачи топлива в двигатель включает в себя топливный бак (не показан), бензонасос 13, электромагнитный клапан с бензиновым фильтром 14 и карбюратор 15, сообщенные между собой через бензопроводы 16 и 17.

Между воздушными фильтрами 18 и газовым переходником-смесителем 6 установлено воздушное распределительное устройство 19, выполненное в виде пустотелой проставки с размещенной по оси в ее внутренней полости автоматической перегородкой, выполненной в свою очередь в виде седла 20 с размещенными внутри него на одной общей оси 21 двух заслонок 22, кинематически связанных между собой. Для удержания заслонок 22 в закрытом состоянии имеются стойки 23, на которых укреплена стяжная пружина 24. Заслонки разделяют внутреннее пространство проставки на две сообщающиеся между собой полости 25 и 26. Распределительное устройство 19 снабжено воздушными патрубками 17 и 28.

Двигатель оснащен турбокомпрессором 29, содержащим в свою очередь газовую турбину 30, приводимую отработавшими газами, и компрессор 31 для подачи сжатого воздуха в двигатель 32.

Газовая турбина 30 своим газоприемным патрубком подключена к выпускному коллектору 33 двигателя 32 и для выпуска отработавших газов в атмосферу снабжена выпускным патрубком 34.

Компрессор 31 своим воздухоприемным патрубком через всасывающий трубопровод 35 сообщен с воздушным патрубком 27, а воздухонапорным патрубком компрессора 31 через нагнетательный трубопровод 36 сообщен с воздушным патрубком 28 воздушного распределительного устройства 19.

Выпускной коллектор 33 снабжен обсадным трубопроводом 37, оснащенным в свою очередь перепускным органом управления 38.

Нагнетательный воздушный трубопровод 36 сообщен с одной стороны через балансировочную трубку 39 с наддиафрагменной полостью первой ступени, с другой через балансировочную трубку 40 с наддиафрагменной полостью второй ступени газового редуктора 5.

Магистральный вентиль 1 и бензиновый насос 13 через систему трубопроводов и запорной арматуры сообщены соответственно с газовыми баллонами и бензобаком (не показано).

Работа осуществляется следующим образом.

При работе на газообразном топливе сжатый природный газ из баллонов высокого давления (не показаны) через открытые расходные (не показаны) и магистральный вентиль 1 и газовый трубопровод 7 поступает в подогреватель газа 2. Из подогревателя 2 подогретый газ через газовый трубопровод 8 поступает в одноступенчатый редуктор высокого давления 3, где давление газа понижается до 0,8-1,2 МПа. Подогретый газ, проходя через магистральный электромагнитный клапан с газовым фильтром 4, очищается от механических примесей и через газовый трубопровод 10 поступает в первую ступень двухступенчатого газового редуктора низкого давления 5, в котором давление понижается до 0,18-0,20 МПа. Затем газ из первой ступени поступает во вторую ступень редуктора, где его давление понижается до атмосферного.

В дальнейшем газ из второй ступени редуктора низкого давления поступает в дозирующее экономайзерное устройство, обеспечивающее подачу необходимого количества газа в газовоздушный переходник-смеситель 6 карбюратора 16, где смешивается с очищенным сжатым воздухом, поступающим одновременно из воздушного фильтра 18 через полость 25 воздушного распределительного устройства 19, всасывающий трубопровод 35, компрессор 31, нагнетательный трубопровод 36 и нижнюю полость 26, образуя горючую смесь. Воздушные заслонки 22 при этом вследствие разностей давлений в полостях 25 и 26 с одной стороны и вследствие усилия, создаваемого стяжной пружиной 24 в направлении их прикрытия, находятся в закрытом состоянии и плотно прижаты к седлу 20. Образовавшаяся горючая смесь в смесителе, обладая повышенной плотностью по сравнению со смесью газа с атмосферным воздухом в двигателе без наддува, через диффузоры и смесительные камеры карбюратора-смесителя (не показано) направляются во впускной трубопровод и распределяется по отдельным цилиндрам двигателя. Смесь, поступая в двигатель 32 под избыточным давлением, компенсирует потерю мощности по сравнению с мощностью двигателя при работе его на бензовоздушной смеси.

При работе двигателя выпускные газы, проходя по выпускному коллектору 33 и перепускному органу 8, вращают рабочее колесо газовой турбины 30, а вместе с ним и ротор компрессора 31, а удаляются выпускные газы в атмосферу через выпускной патрубок 34.

При увеличении нагрузки и, как следствие, увеличении давления наддувочного воздуха, последнее передается в наддиафрагменные полости высокого и низкого давления редуктора. Рост давления в наддиафрагменных полостях высокого и низкого давлений с одновременным разрежением в полости второй ступени редуктора низкого давления 5 сопровождается увеличением перепада давлений в полостях первой и второй ступеней редуктора, что приводит к возникновению дополнительных усилий на диафрагмы. Эти усилия действуют соответственно на диафрагмы и клапаны низкого и высокого давления. Степень открытия клапанов высокого и низкого давлений увеличивается, что приводит к соответствующему увеличению расхода топливного газа через эти клапаны. Все это в целом приводит к росту расхода газа в соответствии с возросшим расходом воздуха через двигатель.

Дальнейшее возрастание нагрузки двигателя обуславливает увеличение давления наддувочного воздуха и, как следствие, увеличение степени открытий клапанов высокого и низкого давления соответственно первой и второй ступени редуктора 6, что приводит к увеличению подачи газа в соответствии с возросшей нагрузкой двигателя.

При работе двигателя на газообразном топливе электромагнитный клапан 4 открыт. Перепускной орган управления 38 в выпускном коллекторе 33 установлен в положении для подачи выпускных газов в газовую турбину 30.

При работе двигателя на жидком топливе бензин из бензобака (не показан) бензиновым насосом 13 через бензопровод 16, открытый электромагнитный клапан 14 и бензопровод 17 подается в карбюратор 15, в который одновременно через воздушный фильтр 18, открытые под действием скоростного воздушного напора заслонки 22 и нижнюю полость 26 поступает атмосферный воздух. Образовавшаяся топливоздушная смесь в карбюраторе 15 через воздушные коллекторы (не показано) поступает в цилиндры двигателя. Турбокомпрессор 19 при этом не работает, так как в этом случае выпускной коллектор 33 через перепускной орган управления 38 и обводной трубопровод 37 сообщен с выпускным патрубком 34, минуя газоприемный патрубок газовой турбины 30.

Формула изобретения

Двухтопливный газобензиновый двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, содержащий впускной трубопровод с закрепленными на нем последовательно карбюратором, переходником-смесителем с патрубками впуска воздуха и газа и воздушным фильтром, выпускной трубопровод, магистраль подачи бензина в карбюратор, снабженную электромагнитным клапаном и топливным фильтром, магистраль подачи газа в переходник-смеситель, в которой последовательно установлены редуктор высокого давления, электромагнитный клапан с газовым фильтром и двухступенчатый редуктор низкого давления, отличающийся тем, что он снабжен турбокомпрессором с всасывающим, воздухонапорным и газоприемным патрубками, последний из которых сообщен с выпускным трубопроводом, снабженным органом перепуска выпускных газов с приводом управления, а между воздушным фильтром и переходником-смесителем установлено воздушное распределительное устройство в виде проставки, внутри которой соосно с ней размещена автоматическая перегородка, выполненная в виде седла с размещенными внутри него на одной общей оси двух заслонок, кинематически связанных между собой стяжной пружиной, разделяющих внутреннее пространство проставки на дне полости, одна из которых сообщена с воздушным фильтром и с всасывающим патрубком турбокомпрессора, а другая с переходником-смесителем и через нагнетательный трубопровод с воздухонапорным патрубком турбокомпрессора, причем нагнетательный трубопровод сообщен с наддиафрагменными полостями первой и второй ступеней редуктора низкого давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2