PL230210B1

PL230210B1 - Sposób sterowania podziałem obciążenia pomiędzy turbosprężarki o stałej geometrii pracujące w układzie równoległym i układ sterowania podziałem obciążenia pomiędzy turbosprężarki o stałej geometrii pracujące w układzie równoległym

Info

Publication number: PL230210B1
Application number: PL406349A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Danilecki
Original assignee: Zachodniopomorski Univ Technologiczny W Szczecinie
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2018-10-31
Also published as: PL406349A1

Abstract

Sposób sterowania podziałem obciążenia pomiędzy turbosprężarki o stałej geometrii, połączone równolegle, współpracujące z tłokowym silnikiem spalinowym, charakteryzuje się tym, że za turbiną dużej turbosprężarki (3) umieszcza się zawór dławiący (5), wywołujący dodatkowy spadek ciśnienia spalin. Korzystnie stosuje się zawór dławiący w postaci przepustnicy lub zaworu grzybkowego. Układ doładowania zakresowego turbosprężarek o stałej geometrii, połączonych równolegle, współpracujących z tłokowym silnikiem spalinowym, zawierający turbosprężarki, zawory odcinające przepływ spalin i zawory odcinające przepływ powietrza, za turbiną dużej turbosprężarki (3) ma zawór dławiący (5), korzystnie przepustnicę lub zawór grzybkowy.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania podziałem obciążenia pomiędzy turbosprężarki o stałej geometrii pracujące w układzie równoległym i układ sterowania podziałem obciążenia pomiędzy turbosprężarki o stałej geometrii pracujące w układzie równoległym w samochodowych silnikach spalinowych.

Obecnie najskuteczniejszą metodą zwiększenia maksymalnego momentu obrotowego oraz mocy maksymalnej tłokowych silników spalinowych wykorzystywanych w samochodach jest doładowanie za pomocą turbosprężarki. Jednak pełne wykorzystanie możliwości wynikających z doładowania wymaga zapewnienia odpowiedniej jego wydajności w całym zakresie prędkości obrotowych i obciążeń silnika. Wymagane jest również zachowanie możliwie dużej sprawności układu doładowania. Spełnienie tych postulatów możliwe jest przy prawidłowym doborze turbosprężarki do silnika oraz dzięki właściwemu kształtowaniu warunków współpracy tych maszyn. Jednak istotną barierą są niekorzystne właściwości sprężarek odśrodkowych stosowanych w turbodoładowaniu. W doładowaniu jednostopniowym zazwyczaj konieczne jest wykorzystanie całej charakterystyki sprężarki. Powoduje to, że podczas współpracy z silnikiem punkty pracy sprężarki przebiegają przez obszary jej charakterystyki, gdzie sprawność sprężania jest bardzo mała. Zmniejszenie sprawności sprężania przejawia się nadmiernym wzrostem temperatury sprężanego powietrza, co ogranicza wzrost mocy silnika oraz sprzyja zwiększeniu jego obciążeń cieplnych i emisji tlenków azotu NO_X. Oprócz tego pogarszają się warunki wymiany ładunku, co prowadzi do zwiększenia zużycia paliwa zwłaszcza w zakresie małych obciążeń silnika. Tym niekorzystnym skutkom można zapobiegać jeżeli ograniczy się wykorzystanie charakterystyki sprężarki do obszaru o największej sprawności sprężania. Można to osiągnąć jeżeli zamiast jednej dużej turbosprężarki wykorzystywanej w całym polu pracy silnika zastosuje się dwie mniejsze turbosprężarki włączane kolejno w miarę zwiększania zapotrzebowania na powietrze. Wtedy każda ze sprężarek pracować będzie w znacznie mniejszym zakresie zmienności natężenia przepływu powietrza wymuszonym przez współpracę z silnikiem. Idea ta jest realizowana w układzie doładowania zakresowego. W układzie tym w zakresie małych prędkości obrotowych silnika przy jego ograniczonym zapotrzebowaniu na powietrze pracuje tylko jedna turbosprężarka. Jej mniejsze rozmiary, w porównaniu do doładowania jednostopniowego, powodują szybsze zwiększanie ciśnienia doładowania, co także pozwala zwiększyć moment obrotowy silnika. Gdy wraz ze zwiększaniem prędkości obrotowej silnika ciśnienie doładowania osiągnie dopuszczalną wartość, to za pomocą zaworów sterujących przepływem powietrza i spalin włączana jest druga turbosprężarka. Powoduje to rozdzielenie strumienia spalin pomiędzy dwie pracujące równolegle turbosprężarki czemu towarzyszy gwałtowne zmniejszenie ciśnienia doładowania. Jest to niekorzystna właściwość tego układu objawiająca się w fazie przełączania zakresów pracy turbosprężarek. Jednak zapewnienie właściwych warunków współpracy turbosprężarek pracujących równolegle wymaga odpowiedniego podziału strumieni masowych powietrza i spalin (obciążenia) pomiędzy każdą z nich.

W istniejących rozwiązaniach doładowania zakresowego wykorzystywane są zazwyczaj dwie turbosprężarki różnej wielkości o stałej geometrii. Wśród nich można wyróżnić układy z dwoma lub trzema zakresami pracy turbosprężarek. W układzie z dwoma zakresami pracy turbosprężarek większa turbosprężarka pracuje w pierwszym zakresie przy małych i średnich prędkościach obrotowych silnika. W tym zakresie zawory sterujące przepływem powietrza i spalin przez drugą mniejszą turbosprężarkę pozostają zamknięte. Jest ona włączana dopiero przy dużych prędkościach obrotowych silnika, gdy ciśnienie doładowania w pierwszym zakresie przekroczy dopuszczalną wartość, co odpowiada drugiemu zakresowi równoległej pracy obu turbosprężarek. W układzie z trzema zakresami pracy konieczne jest zastosowanie zaworów sterujących przepływem czynnika przez obie turbosprężarki. Przy małych prędkościach obrotowych zawory sterujące przepływem powietrza i spalin przez małą turbosprężarkę pozostają otwarte przy zamkniętych zaworach sterujących przepływem powietrza i spalin przez większą turbosprężarkę. Umożliwia to samodzielną pracę małej turbosprężarki. W zakresie średnich prędkości obrotowych otwierany jest zawór odcinający przepływ powietrza do dużej turbosprężarki i zawór odcinający przepływ spalin do dużej turbosprężarki a zamykany jest zawór odcinający przepływ spalin do małej turbosprężarki i zawór odcinający przepływ powietrza do małej turbosprężarki, co powoduje włączenie do pracy tylko dużej turbosprężarki. W zakresie dużych prędkości obrotowych następuje ponowne otwarcie zaworu odcinającego przepływ spalin do małej turbosprężarki i zaworu odcinającego przepływ powietrza do małej turbosprężarki przy otwartym zaworze

PL 230 210 Β1 odcinającym przepływ powietrza do dużej turbosprężarki i zaworze odcinającym przepływ spalin do dużej turbosprężarki, co umożliwia jednoczesną pracę obu turbosprężarek.

W każdym z opisanych układów warunki współpracy dwóch turbosprężarek w zakresie ich równoległej pracy zależeć będą od podziału strumieni masowych powietrza pomiędzy każdą turbosprężarkę. Podział ten określony jest przez odpowiedni dobór pola powierzchni przekroju przepływu spalin w każdej turbosprężarce. Przekrój przepływowy spalin w turbinie turbosprężarki większej lub mniejszej pracującej w pierwszym zakresie dobierany jest według kryterium uzyskania zakładanej wydajności doładowania przy małych prędkościach obrotowych silnika. Natomiast całkowity przekrój przepływowy dwóch turbosprężarek pracujących równolegle powinien zapewnić wymaganą wydajność doładowania w znamionowych warunkach pracy silnika przy dużych prędkościach obrotowych. Oznacza to, że dobór pola przekroju przepływowego spalin w turbinie turbosprężarki mniejszej (w układzie z dwoma zakresami pracy turbosprężarek) lub większej (w układzie z trzema zakresami pracy turbosprężarek) stanowić będzie kompromis wynikający ze spełnienia tych kryteriów. Przy tak wyznaczonych przekrojach przepływowych spalin w turbinach podział strumieni masowych powietrza pomiędzy sprężarki w zakresie ich równoległej pracy, a zwłaszcza przy najmniejszej prędkości obrotowej tego zakresu, nie będzie spełniać warunku zapewnienia maksymalnej sprawności sprężania takiego zespołu.

Sposób sterowania podziałem obciążenia pomiędzy turbosprężarki o stałej geometrii połączone równolegle, współpracujące z tłokowym silnikiem spalinowym, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że za turbiną dużej turbosprężarki umieszcza się zawór dławiący, wywołujący dodatkowy spadek ciśnienia spalin. W rezultacie zmiany stopnia rozprężenia oraz mocy turbiny dużej turbosprężarki uzyskuje się zmianę podziału pracy sprężania (strumieni masowych powietrza) pomiędzy obie sprężarki. Jednocześnie opisane zmiany pozwalają zachować sprawność sprężania takiego zespołu sprężarek pracujących równolegle zbliżoną do wartości maksymalnej. Korzystnie stosuje się zawór dławiący w postaci przepustnicy lub zaworu grzybkowego.

Układ doładowania zakresowego turbosprężarek o stałej geometrii pracujących w układzie równoległym, współpracujących z tłokowym silnikiem spalinowym, według wynalazku, zawierający turbosprężarki, zawory odcinające przepływ spalin, zawory odcinające przepływ powietrza, charakteryzuje się tym, że za turbiną dużej turbosprężarki ma zawór dławiący, wywołujący dodatkowy spadek ciśnienia spalin. W rezultacie zmiany stopnia rozprężenia oraz mocy turbiny dużej turbosprężarki uzyskuje się zmianę podziału pracy sprężania (strumieni masowych powietrza) pomiędzy obie sprężarki. Jednocześnie opisane zmiany pozwalają zachować sprawność sprężania takiego zespołu sprężarek pracujących równolegle zbliżoną do wartości maksymalnej. Korzystnie zawór dławiący stanowi przepustnica lub zawór grzybkowy.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na niezależne sterowanie podziałem obciążenia pomiędzy dwie turbosprężarki o stałej geometrii pracujące równolegle tak, aby zapewnić maksymalną sprawność sprężania zespołu sprężarek w całym zakresie zmienności całkowitego strumienia powietrza przepływającego przez silnik. Zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że przy stałych przekrojach przepływowych turbin poprzez odpowiednie zmiany spadku ciśnienia spalin na zaworze dławiącym prowadzące do zmian stopnia rozprężania spalin w turbinie dużej turbosprężarki możliwe jest uzyskanie takiego podziału strumieni masowych powietrza pomiędzy sprężarki, przy którym zapewniona zostanie maksymalna sprawność sprężania w szerokim zakresie zmian masowych strumieni powietrza oraz sprężu w sprężarkach.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawione jest przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu doładowania zakresowego z dwoma zakresami pracy turbosprężarek różnej wielkości z zaworem dławiącym regulującym obciążenie turbosprężarek, fig. 2 i 3 przedstawiają schematy układu doładowania zakresowego z trzema zakresami pracy turbosprężarek różnej wielkości z zaworem dławiącym regulującym obciążenie turbosprężarek, fig. 4 przedstawia charakterystykę przepływową sprężarki dużej turbosprężarki B3C z przykładowo naniesionymi punktami pracy silnika typu SW-680 dla zadanej stałej wartości współczynnika nadmiaru powietrza λ = 1,55 przy prędkości obrotowej silnika 1600 obr/min uzyskane z turbiną dużej turbosprężarki o przekroju przepływowym spalin At<i) = 16,8 cm² przy zadanych wartościach spadku ciśnienia Δρ na zaworze dławiącym, fig. 5 przedstawia charakterystykę przepływową sprężarki małej turbosprężarki typu B65 z przykładowo naniesionymi punktami pracy silnika typu SW680 dla zadanej stałej wartości współczynnika nadmiaru powietrza λ = 1,55 przy prędkości obrotowej silnika 1600 obr/min z turbiną o przekroju przepływowym At<i) = 5,65 cm² przy zadanych wartościach spadku ciśnienia Δρ na zaworze dławiącym.

PL 230 210 Β1

Przykład 1

Układ doładowania zakresowego dwóch turbosprężarek różnej wielkości o stałej geometrii połączonych równolegle, z dwoma zakresami pracy, współpracujących z tłokowym silnikiem spalinowym 6 pokazano na fig. 1. Układ zawiera małą turbosprężarkę 4 i dużą turbosprężarkę 3, zawór odcinający przepływ spalin 1 przez turbinę T(n> małej turbosprężarki 4, zawór odcinający przepływ powietrza 2 ze sprężarki S(n> małej turbosprężarki 4, oraz zawór dławiący 5 w postaci przepustnicy. Zawór dławiący 5 wywołuje dodatkowy spadek ciśnienia spalin. Spadek ciśnienia Δρ na zaworze dławiącym 5 zwiększa wówczas przeciwciśnienie spalin p4(i> = p'4(i> + Δρ na wylocie z turbiny T(i> dużej turbosprężarki 3. Powoduje to zmniejszenie stopnia rozprężania p3(i)/p4(i> oraz strumienia masowego spalin mt(i) turbiny T(i> dużej turbosprężarki 3, a w konsekwencji ograniczenie jej mocy. Zmniejszenie mocy turbiny T(i> dużej turbosprężarki 3 prowadzi do zmniejszenia strumienia masy powietrza m_S(i) w sprężarce S(i> dużej turbosprężarki 3. Z bilansu mocy sprężarki S(i> oraz turbiny T(i> dużej turbosprężarki 3 może również wynikać zmiana ciśnienia p2(i> powietrza za sprężarką S(i>.

Jednocześnie z warunków współpracy obu turbosprężarek połączonych równolegle wynika że, przy braku dławienia przepływu spalin przez turbinę T(n> małej turbosprężarki 4, zwiększa się jej przepływ spalin rht(ii). Przy jednoczesnym zwiększeniu sprawności turbiny T(n> małej turbosprężarki 4 prowadzi to do zwiększenia jej mocy. W rezultacie uzyskuje się odpowiednie zwiększenie strumienia masowego powietrza rh_S(ii) w sprężarce S(n> małej turbosprężarki 4 oraz oczekiwane zwiększenie jej sprawności. Uzyskany wzrost sprawności sprężania sprężarek S(i> dużej turbosprężarki 3 oraz S(n> małej turbosprężarki 4 może kompensować ewentualny spadek ciśnienia powietrza p2 za sprężarkami wywołany zmniejszeniem stopnia rozprężania turbiny T(i> dużej turbosprężarki 3.

W zakresie pracy dużej turbosprężarki 3, gdy zawory odcinające 1 i 2 są zamknięte, zawór dławiący 5 pozostaje całkowicie otwarty, nie zakłócając przepływu spalin. Przymykanie zaworu dławiącego 5 przez układ elektroniczny następuje dopiero w zakresie równoległej pracy obu turbosprężarek. Przy zmianach masowych strumieni powietrza oraz sprężu w sprężarkach wymuszonych przez zmiany prędkości obrotowej i obciążenia silnika stopień otwarcia zaworu dławiącego 5 jest regulowany w taki sposób aby zachować żądany podział tych strumieni, a w konsekwencji maksymalną sprawność sprężania zespołu sprężarek S(i> dużej turbosprężarki 3 oraz S(n> malej turbosprężarki 4.

W celu weryfikacji prawidłowości proponowanej koncepcji sterowania podziałem obciążenia pomiędzy dwie pracujące równolegle turbosprężarki przeprowadzono odpowiednie symulacje numeryczne. Opracowany program numeryczny umożliwiający symulację współpracy silnika z turbosprężarkami pracującymi w układzie równoległym, bazuje na wykorzystaniu modeli matematycznych silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym oraz rzeczywistych sprężarek oraz turbin. Obliczenia przeprowadzono na przykładzie silnika typu SW-680 o objętości skokowej 11,1 dm³ i prędkości znamionowej 2200 obr/min współpracującego z turbosprężarkami pracującymi w układzie doładowania zakresowego. Do jego konstrukcji wykorzystano dostępne w handlu turbosprężarki produkcji WSK Rzeszów. Założono użycie dużej turbosprężarki 3 z typoszeregu B3C z wirnikiem sprężarki S(i> oznaczonym 309K w zestawieniu z turbiną T(i> o polu przekroju przepływowym At<i) skrzyni wlotowej spalin wynoszącym 16,8 cm². Małą turbosprężarkę 4 dobrano z typoszeregu B65, dla której przewidziano zastosowanie wirnika sprężarki S(n> numerze katalogowym 60 oraz turbinę T(n> o przekroju przepływowym spalin Αηιΐ) równym 5,65 cm². Przykładowe wartości parametrów pracy silnika i turbosprężarek wyznaczono dla zadanej stałej wartości współczynnika nadmiaru powietrza λ = 1,55 przy prędkości obrotowej silnika 1600 obr/min. Obliczenia wykonano dla zadanych wartości spadku ciśnienia Δρ na zaworze sterującym 5 wynoszącym 5, 10 oraz 15 kPa. Punkty pracy silnika wyznaczone dla Wyznaczone wartości parametrów pracy sprężarek przy współpracy z silnikiem naniesiono na charakterystyki przepływowe sprężarek, co pokazano na fig. 4 i 5. Na podstawie położenia tych punktów na charakterystykach sprężarek można stwierdzić wyraźne zmiany strumieni masowych oraz sprawności sprężania w sprężarkach w zależności od spadku ciśnienia Δρ na zaworze dławiącym 5. Przy spadku ciśnienia 5 kPa dzięki zwiększeniu sprawności sprężania zespołu sprężarek uzyskano również zwiększenie sprężu. Otrzymane wyniki obliczeń pozytywnie weryfikują tezę o możliwości sterowania podziałem strumieni powietrza pomiędzy sprężarki pracujące równolegle oraz poprawy sprawności sprężania takiego zespołu w wyniku odpowiedniego dławienia wypływu spalin z turbiny T(i> dużej turbosprężarki 4.

Przykład 2

Układ doładowania zakresowego dwóch turbosprężarek różnej wielkości o stałej geometrii połączonych równolegle, z trzema zakresami pracy, współpracujących z tłokowym silnikiem spalinowym 6 pokazany na fig. 2. Układ zawiera te same elementy co układ w przykładzie pierwszym oraz dodat

PL 230 210 Β1 kowo zawór odcinający przepływ spalin 8 umieszczony przed turbiną T(i; dużej turbosprężarki 3, zawór odcinający przepływ powietrza 7 umieszczony za sprężarką S<i; dużej turbosprężarki 3.

W zakresie pracy małej turbosprężarki 4, zawory odcinające 1 i 2 są otwarte, zawory odcinające 7 i 8 są zamknięte, a zawór dławiący 5 jest otwarty.

W zakresie pracy dużej turbosprężarki 3, gdy zawory odcinające 1 i 2 są zamknięte a zawory odcinające 7 i 8 są otwarte, zawór dławiący 5 również pozostaje całkowicie otwarty, nie zakłócając przepływu spalin.

Podobnie jak w przykładzie pierwszym, przymykanie zaworu dławiącego 5 przez układ elektroniczny następuje dopiero w zakresie równoległej pracy obu turbosprężarek, gdy przy otwartych zaworach odcinających 7 i 8 następuje ponowne otwarcie zaworów odcinających 1 i 2. Przy zmianach masowych strumieni powietrza oraz sprężu w sprężarkach wymuszonych przez zmiany prędkości obrotowej i obciążenia silnika, stopień otwarcia zaworu dławiącego 5 jest regulowany w taki sposób aby zachować żądany podział tych strumieni, a w konsekwencji maksymalną sprawność sprężania zespołu sprężarek: S<i; dużej turbosprężarki 3 oraz S<ii; małej turbosprężarki 4.

Przykład 3

Układ doładowania zakresowego dwóch turbosprężarek różnej wielkości o stałej geometrii połączonych równolegle, z trzema zakresami pracy, współpracujących z tłokowym silnikiem spalinowym 6 pokazany na fig. 3. W porównaniu do układu z przykładu drugiego brak jest zaworu 8 odcinającego przepływ spalin przed turbiną T<i; dużej turbosprężarki 3. Jego funkcję realizuje zawór dławiący 5 umieszczony za turbiną T<i; dużej turbosprężarki 3, który wówczas oprócz tego, że wywołuje dodatkowy spadek ciśnienia spalin za turbiną T<i; odcina przepływ spalin przez turbinę T<i; w pierwszym zakresie pracy małej turbosprężarki 4.

W zakresie pracy malej turbosprężarki 4, zawory odcinające 1 i 2 są otwarte, zawór odcinający 7 oraz zawór dławiący 5 są zamknięte.

W zakresie pracy dużej turbosprężarki 3, gdy zawory odcinające 1 i 2 są zamknięte, zawór odcinający 7 oraz zawór dławiący 5 pozostają całkowicie otwarte, nie zakłócając przepływu spalin.

W zakresie równoległej pracy obu turbosprężarek przy otwartym zaworze odcinającym 7 oraz otwartym zaworze dławiącym 5 następuje ponowne otwarcie zaworów odcinających 1 i 2. Podobnie jak w przykładzie drugim, w zakresie tym następuje przymykanie zaworu dławiącego 5 przez układ elektroniczny. Przy zmianach masowych strumień powietrza oraz sprężu w sprężarkach wymuszonych przez zmiany prędkości obrotowej i obciążenia silnika, stopień otwarcia zaworu dławiącego 5 jest regulowany w taki sposób aby zachować żądany podział tych strumieni, a w konsekwencji maksymalną sprawność sprężania zespołu sprężarek: S<i; dużej turbosprężarki 3 oraz S(n;, malej turbosprężarki 4.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób sterowania podziałem obciążenia pomiędzy turbosprężarki o stałej geometrii połączone równolegle, współpracujące z tłokowym silnikiem spalinowym, znamienny tym, że za turbiną dużej turbosprężarki 3 umieszcza się zawór dławiący 5, wywołujący dodatkowy spadek ciśnienia spalin.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się zawór dławiący w postaci przepustnicy lub zaworu grzybkowego.
3. Układ doładowania zakresowego turbosprężarek o stałej geometrii połączonych równolegle, współpracujących z tłokowym silnikiem spalinowym, zawierający turbosprężarki, zawory odcinające przepływ spalin, zawory odcinające przepływ powietrza, znamienny tym, że za turbiną dużej turbosprężarki 3 ma zawór dławiący 5, wywołujący dodatkowy spadek ciśnienia spalin.
4. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że zawór dławiący stanowi przepustnica lub zawór grzybkowy.