Способ работы разноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способу работы разноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Изобретение позволяет улучшить эффективные показатели двигателя, а также уменьшить число цилиндров, сохранив равномерность хода. В способе работы разноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом в составе двигателя работают 2- и 4-тактные рабочие цилиндры. На такте выпуска отработавшие газы из его рабочих цилиндров направляют на газовую турбину минимум одного турбокомпрессора, с помощью которого осуществляют полный газотурбинный наддув 2-тактных рабочих цилиндров с заданным давлением наддува. 4-тактные рабочие цилиндры работают при этом без наддува. Соотношение числа 2-тактных рабочих цилиндров к числу 4-тактных рабочих цилиндров в составе разноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания выбирают из следующего ряда значений: 1:4, 1:3, 1:2,2:3, 1:1, 3:2,2:1, 3:1. Порядок работы рабочих цилиндров выбирают, как для 4-тактного двигателя внутреннего сгорания, определяя для этого расчетное число рабочих цилиндров по формуле где i_расч - расчетное число рабочих цилиндров разноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания в пересчете на 4-тактный цикл его работы, - число 2-тактных рабочих цилиндров в составе разноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, - число 4-тактных рабочих цилиндров в составе разноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. При увеличении давления наддува для 2-тактных рабочих цилиндров выше заданного производят перепуск сжатого воздуха (свежей смеси) от 2-тактных рабочих цилиндров к 4-тактным рабочим цилиндрам. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано, например, в судовых стационарных и автотракторных двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

Известен способ работы 4-тактного ДВС с полным газотурбинным наддувом (ГТН) (Машиностроение. Энциклопедический справочник, том 10, М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1948 г., с.86, фиг.121), заключающийся в следующем: отработавшие газы из цилиндра направляются на газовую турбину, установленную на одном валу с нагнетателем, воздуха, засасываемый из атмосферы турбокомпрессором, сжимается в нем до давления наддува (Р_к) и подается к всасывающим клапанам рабочего цилиндра.

Недостатком данного способа работы 4-тактного ДВС с полным ГТН является то, что улучшение эффективных показателей ДВС (Ne и ge) достигается за счет форсировки ДВС по максимальному давлению и температуре сгорания (Р_z и T_z), что повышает требования к качеству применяемых материалов, системе смазки и пр., что удорожает стоимость изготовления и эксплуатации ДВС, кроме того, 4-тактный ДВС имеет худшую равномерность хода и большее число цилиндров по сравнению с аналогичным 4-тактным ДВС.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков (прототипом) является комбинированный поршневой ДВС (патент США №4321892, F 02 В 75/20, публ. 82.30.03, том 1016, №5), который работает следующим образом: отработавшие газы из 4-тактных рабочих цилиндров поступают во впускное окно 2-тактных рабочих цилиндров во время всего хода впуска-продувки, затем происходит сжатие этих газов, воспламенение, расширение и удаление из 2-тактных рабочих цилиндров, чем достигается улучшение очистки рабочих цилиндров, причем, когда поршни 2-тактных рабочих цилиндров находятся в нижней мертвой точке, поршни 4-тактных рабочих цилиндров прошли половину такта расширения (90° ).

Недостатком способа работы данного комбинированного поршневого ДВС является ухудшение эффективных показателей работы: эффективной мощности (Ne) и эффективного удельного расхода топлива (ge), так как 4-тактные рабочие цилиндры теряют часть индикаторной мощности из-за преждевременного (по сравнению с традиционным 4-тактным ДВС) выпуска отработавших газов на продувку-наполнение 2-тактных рабочих цилиндров, которые также теряют индикаторную мощность, так как всего лишь дожигают отработавшие газы из 4-тактных рабочих цилиндров, поэтому при одинаковых потерях на трение с аналогичным 4-тактным ДВС ухудшается еще и механический к.п.д. (η _M) ДВС, а следовательно, и эффективный к.п.д. (η _e) ДВС.

Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение эффективных показателей ДВС (Ne и ge), не увеличивая P_z и T_z по сравнению с ДBС без наддува, уменьшение числа цилиндров ДВС при сохранении равномерности хода.

Этот результат достигается следующим образом: в составе разноцилиндрового ДВС с ГТН работают 2- и 4-тактные рабочие цилиндры, и на такте выпуска отработавшие газы из его рабочих цилиндров направляют на газовую турбину минимум одного турбокомпрессора, с помощью которого осуществляют полный ГТН 2-тактных рабочих цилиндров с заданным Р_к, а 4-тактные рабочие цилиндры работают при этом без наддува, причем отношение числа 2-тактных рабочих цилиндров к числу 4-тактных в составе разноцилиндрового ДВС выбирают из следующего ряда значений: 1:4, 1:3, 1:2, 2:3, 1:1, 3:2, 2:1, 3:1, а порядок работы рабочих цилиндров выбирают как для 4-тактного ДВС, определив для этого расчетное число рабочих цилиндров по формуле

где i_расч - расчетное число рабочих цилиндров разноцилиндрового ДВС в пересчете на 4-тактный цикл его работы,

- число 2-тактных рабочих цилиндров в составе разноцилиндрового ДВС,

- число 4-тактных рабочих цилиндров в составе разноцилиндрового ДВС.

Кроме того, в частном случае при увеличении Р _К для 2-тактных рабочих цилиндров выше заданного производят перепуск сжатого воздуха (свежей смеси) от 2-тактных рабочих цилиндров к 4-тактным.

Сущность изобретения состоит в том, что полный ГТН 2-тактных рабочих цилиндров осуществляют за счет использования энергии отработавших газов, как от 2-тактных и 4-тактных рабочих цилиндров, а 4-тактные рабочие цилиндры работают при этом без наддува (работа разноцилиндрового двигателя преимущественно на частичных нагрузках), но если Р_к для 2-тактных рабочих цилиндров увеличится выше заданного значения (обычно начиная с режима максимального крутящего момента ДВС), то перепускают избыток продувочного воздуха (свежей смеси для карбюраторного ДВС) от 2- к 4-тактным рабочим цилиндрам, с последующим наддувом последних на режиме полной мощности разноцилиндрового ДВС.

Кроме того, при соотношении числа 2- и 4-тактных рабочих цилиндров 1:4, 1:3, 1:2 рекомендуется полный ГТН 2-тактных рабочих цилиндров осуществлять с помощью отработавших газов только из 4-тактных рабочих цилиндров, так как число 4-тактных цилиндров больше числа 2-тактных, а отработавшие газы из 2-тактных цилиндров направлять, минуя турбокомпрессор, в глушитель с минимальным сопротивлением на выпуске. Это позволит создать эффективный быстроходный разноцилиндровый ДВС с числом оборотов, приближающимся к числу оборотов 4-тактного ДВС, так как продувка-наддув 2-тактных цилиндров, особенно на частичных режимах работы, будет осуществляться с избытком продувочного воздуха и большим Р_к, чем в аналогичных 2-тактных ДВС с механическим наддувом, без потерь мощности на привод нагнетателя.

При соотношении числа 2- и 4-тактных цилиндров 2:3, 1:1, 3:2, 2:1 отработавшие газы из 2- и 4-тактных рабочих цилиндров поступают в свои выпускные коллекторы и далее на газовую турбину (импульсную или постоянного давления).

На чертеже для пояснения изображено устройство перепуска сжатого воздуха (свежей смеси) от 2-тактного рабочего цилиндра к 4-тактному.

Оно содержит воздухофильтр 1, турбокомпрессор 2, впускной трубопровод 4-тактных рабочих цилиндров 3, впускной трубопровод 2-тактных рабочих цилиндров 4, перепускной узел, например заслонку 5 (управление автоматическое от давления наддува или от положения органа топливоподачи), ручное - из кабины, комбинированное (автоматическое плюс ручное).

При превышении Р_к для 2-тактных рабочих цилиндров заслонка приоткрывается, перепуская сжатый воздух (свежую смесь) из трубопровода 4 в трубопровод 3, при дальнейшем увеличении Р_к впускной трубопровод 3 перекрывается заслонкой 5 и 2- и 4-тактные рабочие цилиндры работают от турбокомпрессора, но давление наддува 4-тактных рабочих цилиндров будет меньше, чем 2-тактных (за счет дросселирующего эффекта) для уравнивания максимального давления сгорания.

В качестве примера рассмотрим 5-цилиндровый рядный двигатель, в котором соотношение числа 2-тактных рабочих цилиндров к 4-тактным равно 3:2, т.е. двигатель содержит три 2-тактных рабочих цилиндра, например, с прямоточной клапанно-щелевой продувкой и два 4-тактных рабочих цилиндра. Расчетное число рабочих цилиндров разноцилиндрового ДВС:

угол между вспышками в рабочих цилиндрах, как в 4-тактном ДВС

т.е. 5-цилиндровый ДЗО имеет такую же равномерность хода, как 8-цилиндровый 4-тактный ДВС.

Тепловой расчет 4-тактного 8-цилиндрового дизеля со степенью сжатия ε =17, числом оборотов при максимальной мощности n=2600 об/мин, без наддува и с наддувом Р_К=0,17 мПа от турбокомпрессора (турбина постоянного давления) для грузового автомобиля (А.И.Колгин, Б.П.Демидов. Расчет автомобильных и тракторных двигателей, М.: Высшая школа, 1981 г., стр. 95, 102) дает следующие результаты (стр. 101, 102, там же):

эффективный удельный расход топлива

без наддува 242 г/кВт· ч

с наддувом 220 г/кВт· ч

эффективная мощность

без наддува 175,9 кВт

с наддувом 233,0 кВт

максимальное давление сгорания

без наддува 8,924 мПа

с наддувом 11,307 мПа

максимальная температура сгорания

без наддува 2280 К

с наддувом 2192 К

(более высокий коэффициент избытка воздуха α = 1,7, без наддува α = 1,5).

Если теперь мы проведем тепловой расчет для разноцилиндрового ДВС отдельно для 2-тактных рабочих цилиндров - наддув от турбокомпрессора Р_К=0,17 мПа, доля хода поршня, потерянная на продувке, Ψ _n=0,136 (как у ЯАЗ-204 - 2-тактный транспортный ДЗС с прямоточной клапанной-щелевой продувкой и механическим наддувом), геометрическая степень сжатия ε _g=14,824, коэффициент остаточных газов γ ₂=0,1, коэффициент избытка воздуха α =1,7, степень повышения давления h=1,5, отдельно для 4-тактных рабочих цилиндров - исходные данные такие же, как для двигателя без наддува, но с противодавлением Р₂=0,162 мПа (такое же, как у 4-тактного ДВС с наддувом ), то получим следующие результаты:

среднее индикаторное давление

2-тактные = 0,99 мПа

4-тактные P_i = 0,992 мПа

индикаторный к.п.д.

2-тактные η _i = 0,5

4-тактные η _i = 0,45

максимальные давления и температуры сгорания

2-тактные P_z = 9,3 мПа

T _t = 2140 K

4-тактные P_t = 8,924 мПА

T_z = 2293 К

Индикаторные показатели 2-тактных рабочих цилиндров выше за счет уменьшения степени сжатия и наддува, а показатели 4-тактных рабочих цилиндров ухудшились, так как они работают без наддува, но на газовую турбину (с противодавлением), поэтому увеличился коэффициент остаточных газов и несколько ухудшилось наполнение.

Берем 5-цилиндровый ДВС в целом:

3 - 2-тактных рабочих цилиндра,

2 - 4-тактных рабочих цилиндра.

Среднее индикаторное давление для всего разноцилиндрового ДВС:

Давление механических потерь берем, как в примере Р _м=0,212 мПа (при средней скорости поршня V_пр.ср = 10,2 м/с - там же, стр. 101) - от нагрузки не зависит. Среднее эффективное давление для всего разноцилиндрового ДВС

Р _едв=Р_iдв-Р_м=0,974-0,212=0,762 мПа,

механический к.п.д.

средний индикатор к.п.д.:

средний эффективный к.п.д.: η _едв=η i_дв· η _ндв=0,782× 0,488=0,382.

Мощность (эффективная) всего 5-цилиндрового ДВС (по 4-тактному циклу)

где Vn - 1,3865 л - рабочий объем одного цилиндра (рабочие объемы 2- и 4-тактных цилиндров одинаковы) (там. же, стр. 102).

Удельный эффективный расход топлива

Таким образом, если сравнить результаты типового теплового расчета и для разноцилиндрового ДВС, то получим 5-цилиндровый разноцилиндровый ДВС, который имеет равномерность хода 8-цилиндрового (U-90° ), мощность Ne=178,8 кВт, чуть большую, чем 8-цилиндровый ДВС без наддува (Ne=175,9 кВт), удельный эффективный расход топлива ge=222 г/кВт· ч лучше, чем у двигателей без наддува ge=242 г/кВт· ч, при равной форсировке по максимальному давлению сгорания ~ Р_z=9,3 мПа, ~ P_z=8,924 мПа, максимальная разница

Что касается конструктивного исполнения разноцилиндрового ДВС, то рабочие цилиндры имеют одинаковую размерность, кривошипы коленчатого вала заклинены под 90° (два крайних для 4-тактных рабочих цилиндров лежат в одной плоскости, одинаково направлены, порядок работы

1(4-т)-2-3-4-5(4-т)-2-3-4-1(4-т),

2-тактные рабочие цилиндры с прямоточной клапанно-щелевой продувкой (два выпускных клапана на цилиндр и продувочные окна), газораспределение - все как у 4-тактного ДВС, только для привода клапанов 2-тактных рабочих цилиндров, распредвал имеет двойной симметричный кулачок (так как распредвал у 4-тактного ДВС вращается в два раза медленнее, чем коленвал). Топливная система: или 1 восьмиплунжерный насос высокого давления (тогда на одну форсунку 2-тактного рабочего цилиндра будут работать по очереди 2 секции топливного насоса) или на 2-тактных рабочих цилиндрах, насос форсунки (аналог ЯАЗ-204), а на 4-тактных - двухплунжерный топливный насос.

Разноцилиндровый ДВС имеет, например, 2 выпускных коллектора: один для 2-тактных рабочих цилиндров, другой для 4-тактных, оба они идут на газовую турбину турбокомпрессора (импульсную или постоянного давления).

Таким образом, при работе разноцилиндрового ДВС по заявляемому способу, например 5-цилиндрового ДЗС, содержащего три 2-тактных рабочих цилиндра и два 4-тактных имеется равномерность хода 8-цилиндрового 4-тактного ДВС, эффективная мощность, как у 8-цилиндрового 4-тактного ДВС без наддува, одинаковые давления сгорания, при меньшем расходе топлива; кроме того, 5-цилиндровый ДВС легче и проще в изготовлении и эксплуатации, чем 8-цилиндровый, несмотря на наличие турбокомпрессора; кроме того, на газовую турбину турбокомпрессора работают все рабочие цилиндры i_расч=8, а наддувают только цилиндров, т.е. работа 2-тактных рабочих цилиндров будет стабильна, даже при пуске и частичных режимах.

Формула изобретения

1. Способ работы разноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, заключающийся в том, что в его составе работают 2- и 4-тактные рабочие цилиндры, отличающийся тем, что на такте выпуска отработавшие газы из его рабочих цилиндров направляют на газовую турбину минимум одного турбокомпрессора, с помощью которого осуществляют полный газотурбинный наддув 2-тактных рабочих цилиндров с заданным давлением наддува, а 4-тактные рабочие цилиндры работают при этом без наддува, причем соотношение числа 2-тактных рабочих цилиндров к числу 4-тактных рабочих цилиндров в составе разноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания выбирают из следующего ряда значений: 1:4, 1:3, 1:2, 2:3, 1:1, 3:2, 2:1, 3:1, а порядок работы рабочих цилиндров выбирают как для 4-тактного двигателя внутреннего сгорания, определяя для этого расчетное число рабочих цилиндров по формуле

где i_расч - расчетное число рабочих цилиндров разноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания в пересчете на 4-тактный цикл его работы;

- число 2-тактных рабочих цилиндров в составе разноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания;

- число 4-тактных рабочих цилиндров в составе разноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при увеличении давления наддува для 2-тактных рабочих цилиндров выше заданного производят перепуск сжатого воздуха (свежей смеси) от 2-тактных рабочих цилиндров к 4-тактным рабочим цилиндрам.

РИСУНКИ