RU2070644C1 - Двигатель внутреннего сгорания - Google Patents

Abstract

Использование: в двигателестроении, в газовых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с наддувом. Сущность изобретения: ДВС содержит турбокомпрессоры наддувочного воздуха и компримирования газообразного топлива, систему регулирования подачи газообразного топлива, охладитель газообразного топлива, связанный со входом коллектора газообразного топлива и с выходом компрессора турбокомпрессора компримирования газообразного топлива, турбина которого подключена к коллектору отработавших газов ДВС параллельно турбине турбокомпрессора наддувочного воздуха. На входе компрессора турбокомпрессора компримирования газообразного топлива установлены датчик концентрации горючей составляющей газообразного топлива и исполнительные устройства регулирования количества газообразного топлива и воздуха. Выход датчика соединен со входом системы регулирования подачи газообразного топлива, выходы которой соединены со входами исполнительных устройств регулирования количества газообразного топлива и воздуха. 2 ил.

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению, к двигателям для работы на газообразном топливе с самокомпримированием.

Известен газодизель Vasa R32GD (см. Инструкция фирмы "Вяртсиля Дизель", Финляндия, 1991), содержащий турбокомпрессор наддувочного воздуха, выпускной коллектор, коллектор газообразного топлива, исполнительные устройства подачи газообразного топлива, устройства подачи наддувочного воздуха, систему регулирования количества подаваемого газообразного топлива.

К недостаткам известного газодизеля можно отнести:
требование к значительной величине избыточного давления газообразного топлива в диапазоне 0,6-20 МПа;
требование к постоянству величины давления газообразного топлива;
требование к постоянству концентрации горючей составляющей в газообразном топливе.

Наиболее близким к заявляемому является газодизель 12РС2-3-400G Д (см. Описание и рекламный проспект фирмы "Пилстик", Франция, 1991), который работает по газодизельному циклу с газообразным топливом в виде метановоздушной смеси с постоянной концентрацией метана и постоянным давлением газообразного топлива. Он содержит турбокомпрессор наддувочного воздуха, исполнительное устройство, регулирующее количество наддувочного воздуха, выполненное в виде перепускного клапана, холодильник наддувочного воздуха, коллектор наддувочного воздуха, коллектор газообразного топлива, индивидуальные исполнительные устройства подачи газообразного топлива на каждый цилиндр двигателя, выполненные в виде клапанов с гидроуправлением, систему регулирования количества подаваемого газообразного топлива, выполненную на базе двух регуляторов: частоты вращения и подачи газообразного топлива. Турбина турбокомпрессора наддувочного воздуха соединена с выпускным коллектором двигателя, а компрессор его связан с холодильником наддувочного воздуха, который связан с коллектором наддувочного воздуха. Коллектор газообразного топлива связан с одной стороны с источником газообразного топлива высокого давления, а другой с индивидуальными исполнительными устройствами подачи газообразного топлива в цилиндр двигателя, которые связаны с системой регулирования количества подаваемого газообразного топлива.

Недостатки известного двигателя следующие:
необходимость подвода к двигателю газообразного топлива с постоянным давлением 0,8 МПа и постоянной величиной концентрации метана в газообразном топливе, что требует оборудования по созданию указанного давления газообразного топлива и системы поддержания этого давления постоянным при изменяющемся расходе газообразного топлива двигателем;
необходимость трассы (трубопровода) подвода газообразного топлива с постоянным давлением 0,8 МПа и постоянной величиной концентрации метана в газообразном топливе, что требует оборудования по созданию указанного давления газообразного топлива и системы поддержания этого давления постоянным при изменяющемся расходе газообразного топлива двигателем;
необходимость трассы (трубопровода) подвода газообразного топлива под высоким давлением от установки, создающей это давление, к двигателю;
недопустимость отклонения концентрации горючей составляющей (метана) в газообразном топливе за пределы, допускаемые системой регулирования количества подаваемого газообразного топлива, поскольку при падении концентрации метана сверх упомянутого предела происходит снижение мощности двигателя и при росте концентрации метана сверх указанного предела происходит пережог топлива по причине неполноты сгорания.

Задача изобретения заключается в обеспечении работоспособности при максимальной эффективности работы двигателя внутреннего сгорания на газообразном топливе низкого давления с переменной концентрацией горючей составляющей в газообразном топливе.

Поставленная задача решается введением в двигатель внутреннего сгорания турбокомпрессора компримирования газообразного топлива, турбина которого подключена к коллектору отработавших газов параллельно турбине турбокомпрессора наддувочного воздуха, а компрессор компримирования газообразного топлива подключен к охладителю газообразного топлива, который подсоединен к коллектору газообразного топлива. На входе в компрессор компримирования газообразного топлива устанавливаются первичный датчик концентрации горючей составляющей газообразного топлива и исполнительное устройства регулирования количества газообразного топлива и воздуха. Газообразное топливо из коллектора подается через исполнительные устройства регулирования количества газообразного топлива.

Общими признаками заявляемого технического решения и прототипа являются турбокомпрессор наддувочного воздуха, исполнительное устройство регулирования количества наддувочного воздуха, холодильник наддувочного воздуха, впускной коллектор наддувочного воздуха, коллектор газообразного топлива, индивидуальные исполнительные устройства подачи газообразного топлива каждого рабочего цилиндра, система регулирования подачи газообразного топлива.

Отличие заключается в введении турбокомпрессора компримирования газообразного топлива, турбина которого подсоединена к коллектору отработавших газов параллельно турбине турбокомпрессора наддувочного воздуха, охладителя компримированного газообразного топлива, первичного датчика концентрации горючей составляющей газообразного топлива, установленного на входе в компрессор турбокомпрессора газообразного топлива, исполнительных устройств регулирования количества газообразного топлива и воздуха, установленных на входе в компрессор турбокомпрессора компримирования газообразного топлива.

Введение отличительных признаков позволяет обеспечить работоспособность двигателя внутреннего сгорания на газообразном топливе с переменной концентрацией горючей составляющей, причем при поступлении на вход двигателя внутреннего сгорания газообразного топлива, имеющего давление, близкое к атмосферному и даже ниже на 1000 мм водяного столба.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого двигателя, на фиг. 2 пример конкретного исполнения.

Заявляемый двигатель внутреннего сгорания содержит: 1 цилиндр двигателя внутреннего сгорания; 2 впускной клапан; 3 выпускной клапан; 4 коллектор отработавших газов (ОГ); 5 турбокомпрессор наддувочного воздуха; 6 турбина турбокомпрессора наддувочного воздуха; 7 компрессор турбокомпрессора наддувочного воздуха; 8 исполнительное устройство регулирования количества наддувочного воздуха; 9 турбокомпрессор компримирования газообразного топлива; 10 турбина турбокомпрессора компримирования газообразного топлива; 11 компрессор трубокомпрессора компримирования газообразного топлива; 12 - холодильник газообразного топлива; 13 коллектор газообразного топлива; 14 - индивидуальное исполнительное устройство подачи газообразного топлива в цилиндр; 15 холодильник наддувочного воздуха; 16 первичный датчик концентрации горючей составляющей в газообразном топливе; 17 исполнительное устройство регулирования количества газообразного топлива и атмосферного воздуха; 18 регулятор; 19 коллектор наддувочного воздуха.

Цилиндр двигателя 1 через выпускной клапан 3 связан с коллектором отработавших газов 4, с которым связаны турбины 10 и 6 турбокомпрессоров наддувочного воздуха 5 и компримирования газообразного топлива 9. Компрессор 7 турбокомпрессора наддувочного воздуха 5 связан на входе и выходе с исполнительным устройством регулирования количества наддувочного воздуха 8 и на выходе через него с холодильником наддувочного воздуха 15, в свою очередь, связанного с коллектором наддувочного воздуха 19 и индивидуальным исполнительным устройством 14 подачи газообразного топлива в цилиндр, которое через впускной клапан 2 связан с цилиндром 1 двигателя внутреннего сгорания. Компрессор 11 турбокомпрессора компримирования газообразного топлива 9 связан на входе с первичным датчиком 16 концентрации горючей составляющей в газообразном топливе, в свою очередь, связанного с регулятором 18 и исполнительным устройством регулирования количества газообразного топлива и атмосферного воздуха 17. На выходе он связан с холодильником газообразного топлива 12, связанного с коллектором газообразного топлива 13, в свою очередь, связанного с индивидуальным исполнительным устройством 14 подачи газообразного топлива цилиндра, связанного с регулятором 18.

Двигатель работает следующим образом.

Отработавшие газы двигателя из цилиндра 1 через выпускной клапан 3 поступают в коллектор отработавших газов 4, откуда поступают на турбины турбокомпрессора наддувочного воздуха 5 и турбокомпрессора компримирования газообразного топлива 9. Воздух из атмосферы засасывается в компрессор 7 турбокомпрессора наддувочного воздуха 5, на входе и выходе этого компрессора стоят исполнительные устройства регулирования количества наддувочного воздуха 8, работающие по команде регулятора 18. Воздух из компрессора 7 турбокомпрессора наддувочного воздуха 5 поступает через холодильник наддувочного воздуха 15 в коллектор наддувочного воздуха 19 и отсюда в индивидуальное исполнительное устройство подачи газообразного топлива 14, где и происходит окончательное смешивание воздуха и газообразного топлива и откуда эта смесь через впускной клапан 2 поступает в цилиндр. На входе в компрессор 11 турбокомпрессора 9 компримирования газообразного топлива находятся первичный датчик 16 концентрации горючей составляющей газообразного топлива и исполнительное устройство регулирования количества газообразного топлива и атмосферного воздуха 17, которое обеспечивает корректировку содержания горючей составляющей в газообразном топливе до необходимых пределов. Из компрессора 11 турбокомпрессора 9 компримирования газообразного топлива через холодильник газообразного топлива 12 и коллектор газообразного топлива 13 оно поступает в индивидуальное исполнительное устройство 14 подачи газообразного топлива в цилиндр.

В качестве примера конкретного выполнения на фиг. 2 приводится принципиальная схема питания топливным газом газодизеля на базе дизеля 6 ЧН 40/46 (индекс РС2-6).

На фиг. 2 условно не показаны регулятор и датчики частоты вращения коленчатого вала и нагрузки, а также датчики максимального давления сгорания и температуры отработавших газов перед турбинами турбокомпрессоров.

На фиг. 2 обозначения аналогичны обозначениям на фиг. 1. Дополнительно обозначены: 20 вал кулачковый ТНВД; 21 вал кулачковый насоса гидропривода газовых клапанов; 24 ТНВД; 25 гидронасос гидропривода газовых клапанов; 26 форсунка топливная.

Элементы, входящие в индивидуальное исполнительное устройство 14 подачи газообразного топлива в цилиндр: 27 клапан газовый; 28 гидропривод газового клапана; 29 дозатор газа (регулируемый дроссель); 30 - смеситель-эжектор;
Также обозначены: 31 клапан обратный запорный; 32 пламягасительная решетка; 33 клапан предохранительный; 34 тяга управления дозаторами; 35 - регулируемый вентиль перепуска; 36 клапан сброса газа на "свечу".

Связи элементов, представленных на фиг. 2, полностью соответствуют связям на фиг. 1.

При внутреннем смесеобразовании газ и воздух подаются в цилиндры двигателя раздельно и перемешиваются в цилиндре (а также в газовом клапане-смесителе) при тактах наполнения и сжатия.

Газ в цилиндры двигателя подается через специальные газовые клапаны 27 через эжектор-смеситель 30 по окончании продувки камеры сгорания чистым воздухом и закрытии выпускных клапанов.

Привод газовых клапанов осуществляется гидротолкателями 28 гидропривода, действующими от гидронасоса 25. Привод последнего осуществляется через специальную регулировочную муфту с торца кулачкового вала 21 двигателя, что позволяет регулировать фазы открытия газового клапана. Гидронасос 25 и гидротолкатели 28 связаны между собой трубопроводами высокого давления. Подача газа к газовым клапанам производится через газовую систему двигателя.

Газовая система газодизеля состоит из следующих элементов: заслонок регулирования воздуха и газа, представляющих собой исполнительный орган регулирования количества воздуха и газа; турбокомпрессора шахтного газа 9, работающего за счет энергии отработавших газов двигателя параллельно с турбокомпрессором наддувочного воздуха 5; охладителя газообразного топлива 15; пламягасительной решетки 32; клапана обратного запорного 31; газового коллектора 13.

Газовая система оборудована предохранительными клапанами 33, действующими автоматически, и клапаном сброса газа на "свечу", открывающимся принудительно. От газового коллектора к газовым клапанам на каждый цилиндр газ подается по индивидуальным трубопроводам через дозаторы газа 29, закрепленные на корпусах клапанов. Дозаторы управляются регулятором через тягу 34.

Основной воздушный заряд поступает в цилиндры двигателя через компрессор 7, охладитель воздуха 15, коллектор впускного воздуха 19, смеситель-эжектор 30. Количество подаваемого воздуха может регулировать заслонка. Специальный байпас с регулируемым вентилем позволяет в случае работы газодизеля по чисто дизельному процессу перепускать воздух, подаваемый в этом случае компрессором 9, в основной коллектор наддувочного воздуха 19. Газовые клапаны при этом закрыты. Штатная форсунка подачи жидкого топлива и ТНВД обеспечивают подачу запальной порции жидкого топлива при газодизельном цикле и номинальную подачу при дизельном.

Работа двигателя происходит следующим образом.

При запуске двигателя на жидком топливе заслонки находятся в таком положении, которое обеспечивает забор воздуха и через компрессор 9, воздух поступает через два компрессора.

При переключении двигателя на работу по газодизельному циклу ТНВД 24 устанавливается по сигналу на подачу запальной порции дизельного топлива, заслонки устанавливаются в положение, обеспечивающее подачу газообразного топлива и воздуха на вход в компрессор 9 турбокомпрессора компримирования газообразного топлива. В этом компрессоре по сигналу первичного датчика концентрации горючей составляющей газообразного топлива поддерживается постоянная необходимая концентрация. Компрессор способен засасывать газообразное топливо не только при отсутствии избыточного давления на входе, но при незначительном разрежении (в пределах 1000 мм вод. ст.). Благодаря газовой связи двигателя и турбокомпрессора газообразного топлива давление газообразного топлива, поступающего в двигатель, автоматически регулируется пропорционально нагрузке и частоте вращения коленчатого вала двигателя. Газообразное топливо после компрессора 9 и холодильника 33 подается в дозатор газа 29, представляющий из себя регулируемый дроссель, связанный системой тяг с регулятором.

После дозатора газообразное топливо через газовый клапан 27 поступает в эжектор-смеситель 30, где смешивается с наддувочным воздухом, и эта смесь через впускной клапан 2 двигателя поступает в цилиндр двигателя. Фазы открытия газового клапана 27 выбраны такими, что они исключают потери газообразного топлива при продувке. Наличие эжектора-смесителя 30 не только позволяет качественно смешать газообразное топливо и воздух, но и исключает возможность заброса газообразного топлива во впускной коллектор двигателя. Заслонка и перепускной клапан компрессора турбокомпрессора наддувочного воздуха управляются регулятором по сигналам датчиков нагрузки, частоты вращения коленчатого вала двигателя, температуры отработавших газов перед турбинами, максимального давления сгорания и поддерживают необходимую величину коэффициента избытка воздуха в цилиндре (так называемое α-регулирование).

Как видно, приведенные в описании предлагаемого технического решения и примере конкретного выполнения отличительные особенности позволяют достигнуть определенного технического эффекта, а именно:
обеспечения подачи необходимого количества горючего газа в цилиндры двигателя при исключении потерь газа при продувке;
равномерного распределения газовоздушной смеси по цилиндрам на всех режимах работы двигателя, исключающего неравномерность мощности по цилиндрам;
образования равномерной смеси газообразного топлива и воздуха в цилиндре двигателя;
оптимизации соотношения газа и воздуха в цилиндре двигателя на всех режимах работы (поддержание оптимального коэффициента избытка воздуха);
обеспечения минимальных затрат на компримирование газообразного топлива (самокомпримирование);
обеспечения автоматического изменения давления газообразного топлива в зависимости от режима работы двигателя (также за счет самокомпримирования);
возможности использования газообразного топлива с переменной концентрацией горючей составляющей.

Claims (1)

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий турбокомпрессор наддувочного воздуха, исполнительные устройства регулирования количества наддувочного воздуха, впускной коллектор наддувочного воздуха, коллектор газообразного топлива, исполнительные устройства подачи газообразного топлива к каждому рабочему цилиндру и систему регулирования подачи газообразного топлива, отличающийся тем, что он снабжен турбокомпрессором компримирования газообразного топлива и охладителем последнего, связанным с входом коллектора газообразного топлива и выходом компрессора турбокомпрессора компримирования газообразного топлива, турбина которого подключена к коллектору отработавших газов двигателя параллельно турбине турбокомпрессора наддувочного воздуха, на входе компрессора турбокомпрессора компримирования газообразного топлива установлены датчик концентрации горючей составляющей газообразного топлива и исполнительные устройства регулирования количества газообразного топлива и воздуха, причем выход датчика соединен с входом системы регулирования подачи газообразного топлива, выходы которой соединены с входами исполнительных устройств регулирования количества газообразного топлива и воздуха.

Images