SU817285A1 - Способ воздухоснабжени двигател ВНуТРЕННЕгО СгОРАНи - Google Patents

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано для двигателей с регулированием фаз газораспределения на переменных режимах работы.

Известны способы воэдухоснабжения двигателей внутреннего сгорания путем подачи сжатого воздуха в цилиндр при работе на установившихся режимах и подачи добавочного воздуха в турбокомпрессор в процессе изменения величины нагрузки двигателя.

Добавочный воздух сжимают вспомогательным компрессором, приводным, например, гидродвигателем [1].

Подача добавочного воздуха улучшает работу двигателя на переходных режимах, однако при этом необходимы дополнительные агрегаты: компрессор и приводные механизмы.

Известны способы воэдухоснабжения двигателей, лишенные этого недостатка. Добавочный воздух на переходных режимах обеспечивают путем увеличения давления воздуха, сжимаемого турбокомпрессором, на частичных нагрузках и снижения давления наддува в зоне высоких нагрузок путем перепуска · наддувочного воздуха или отработавших газов из газовоздушного тракта двигателя [2].

Но эти способы регулирования мало _ экономичны.

⁵ Известен также способ воздухоснабжения двигателя внутреннего сгорания путем сжатия воздуха в турбокомпрессоре, подачи сжатого воздуха в цилиндр во время хода впуска и прекра^υ щения подачи до завершения этого хода с регулированием момента прекращения по импульсу о величине нагрузки (способ Миллера) .

Двигатели с системой Миллера при частичных нагрузках, примерно до 60-70* мощности, работают без регулирования фаз газораспределения - с полным использованием хода впуска.

Повышенные давления наддува, характерные для системы Миллера, обеспечивают в этой эоне работы двигателя высокие показатели переходных процессов при разгоне двигателя и увеличении нагрузки [3].

Однако, неполное использование хода впуска, приводящее к фактическому уменьшению рабочего объема цилиндров двигателя, а также пониженная степень сжатия, снижающая эффек30 тивность цикла, ухудшают качество .4 переходных процессов двигателя с системой Миллера в зоне высоких нагрузок, где время переходных процессов наиболее велико.

Цель изобретения - повышение приемистости двигателя, оснащенного с ис т емой Миллера.

Для достижения поставленной цели прй работе двигателя на установившемся режиме подачу воздуха прекращают до завершения хода впуска,а в процессе изменения величины нагрузки момент прекращенйя подачи воздуха совмещают с моментом завершения хода впуска.

В качестве параметра изменения величины нагрузки могут быть использованы: давление сжатого воздуха, частота вращения вала турбокомпрессора, давление сжатого воздуха и частота вращения вала двигателя, частота вращения вала двигателя и частота вращения вала турбокомпрессора.

На Фиг. 1 изображена структурная блок-схема системы регулирования двигателя; на фиг. 2 - диаграмма изменения давления в цилиндре (процесса впуска и сжатия) при различном моменте завершения хода впуска.

Структурная блок-схема системы регулирования двигателя для осуществления предлагаемого способа включает в себя узлы регулирования, свойственные двигателям с системой Миллера: сервомеханизм 1 изменения фаз газораспределения в функции давления наддува, пульт 2 управления двигателем, воздействующий на задатчик режима 3 двигателя, например объединенный регулятор числа оборотов, Привод клапанов, позволяющий смещать во время работы моменты закрытия клапанов. · Сервомеханизм 1 содержит сильфонный механизм, состоящий из сильфона 4, уравновешивающей пружины 5, кожуха 6, в который по каналам 7 и 8 подводился воздух из наддувочного коллектора .9 двигателя 10 внутреннего сгорания. Дно сильфона 4 при помощи механической передачи связано с золотником, управляющим силовым цилиндром сервомеханизма 1.

Для осуществления регулирования двигателя с системой Миллера по предлагаемому способу сервомеханизм 1 снабжен двухпозиционным регулирующим устройством, включающим в себя поршень 11 изменения затяжки уравновешивающей пружины сильфонного механизма, электропневматический вентиль 12, управляющий подачей давления в надпоршневую пОлость 13 и упоры 14,ограничивающие крайние положения поршня 11. Электропневматический вентиль управляется балансным реле 15, которое связано с реостатом 16 пульта управления и реостатом 17 пневмоэлектрического преобразователя. Послед' ний 18 преобразует давление наддувоч ного воздуха в пропорциональное сопротивление реостата 17.

Закон изменения сопротивления реостата 16 при перемещении рукоятки 19 согласован с законом изменения давления наддувочного воздуха в функции режима работы двигателя, определяемого положением рукоятки 19 пульта управления.

При установившемся режиме работы двигателя сопротивление реостата 17, определяемое величиной давления наддувочного воздуха, равно сопротивлению реостата 16 пульта управления. При этом мост балансного реле 15 согласован, электропневматический вентиль закрыт, давления в полости 13 нет, поршень 11 находится в верхнем положении. Подача воздуха прекращается до завершения хода впуска.

В процессе изменения нагрузки (при ее увеличении), переводом рукоятки 19 пульта управления в новое положение соответственно изменяется величина сопротивления реостата 16, величина же давления воздуха в наддувочном коллекторе двигателя вследствие инерционности системы газотурбинного наддува, а следовательно, и величина сопротивления реостата 17 не соответствует вновь заданному режиму работы.

При этом наступает разбаланс моста реле 15 и оно выдает импульс на открытие вентиля 12,. который подает давление в полость 13, поршень 11 перемещается вниз до упора, увели-, чивая затяжку уравновешивающей пружины 5. Увеличение затяжки пружины 5 изменяет установку фаз газораспределения в направлении увеличения используемой части хода впуска.

Величина разбаланса моста реле 15, при которой изменяется установка фаз газораспределения, выбирается в зависимости от конкретных характеристик двигателя при разгоне.

При разгоне двигателя увеличиваются располагаемая энергия газов перед турбиной, обороты турбокомпрессора и давление наддувочного воздуха.

вентиль 12 будет открыт до тех пор, пока движок реостата пневмоэлектрического преобразователя 18, перемещаясь при росте давления наддува, не приведет мостовую схему в состояние равновесия. При этом вентиль 12 сбросит давление из полости 13 и поршень 11 займет верхнее положение, устанавливая фазы газораспределения в функции давления наддува, соответствующие установившемуся режиму работы двигателя.

На диаграмме процесса впуска и сжатия (фиг. 2} обозначены: ось абсцис Р_о - линия атмосферного давления, ось ординат - давления процесса, линии 20 - 22 - линии сжатия воздуха в компрессоре.

Сжатый в турбокомпрессоре воздух при открытии впускных клапанов подается в цилиндры двигателя. Момент прекращения подачи воздуха (точки 0_а, О- моменты закрытия впускных клапанов) определяет используемую долю хода впуска - отрезки ЕЦ , В_г, В^и используемую долю хода сжатия отрезки С^,С^,С₃· Линия 23 - линия сжатия воздуха в цилиндре при работе двигателя на установившемя режиме.

при малых и умеренных давлениях· наддувочного воздуха (на диаграмме до давления Р_и ) впускные клапаны закрывают в точке 0₁ и ход впуска используется полностью (отрезок .

При больших нагрузках двигателя (на диаграмме - при давлении наддувочного воздуха больше изменением моментов закрытия впускных клапанов поддерживают давление конца сжатия Р_с^ на постоянном уровне. Опережение закрытия впускных клапанов уменьшает используемую долю хода впуска (отрезки и В^ .

При движении поршня вниз³ происходит расширение воздуха в цилиндре двигателя (при давлении наддува по линии 0_а-0., , при Р^₃ - по линии Oa-Oj-O^), а затем сжатие по линий 23.

При этом, как показано линиями 24 и 25, ход сжатия используется полностью (отрезки С_г и С₃), вследствие чего снижается действительная степень сжатия в цилиндрах двигателя и давление конца сжатия Ре·, поддерживается на постоянном уровне.

В.известном способе регулирования двигателя с системой Миллера изменение моментов прекращения подачи воздуха (закрытия впускных клапанов) при разгоне двигателя из точки А до режима работы, характеризуемого давлением наддува Р_к,, осуществляется по линии А-О^-Оз с ограничением давления конца сжатия величиной Р_С1.·

На время переходного процесса при увеличении нагрузки и разгоне двигателя изменяют установку моментов прекращения подачи воздуха (закрытия впускных клапанов) по импульсу о величине нагрузки двигателя в направлении более полного использования хода впуска, чем при установившемся режиме работы двигателя, т.е. при одном и том же значении давления наддувочного воздуха P_fc во время переходного процесса осуществляют более позднее закрытие впускных клапанов, чем при том же значении Р_к во время установившегося режима работы двигателя. Соответственно, частичное использование хода впуска осуществляют с больших давлений наддувочного воздуха, например с давления Ρχχ на приведенной диаграмме.

изменение моментов закрытия впускных клапанов при разгоне двигателя из точки А до режима работы, характеризуемого давлением наддува Р_К5, в предлагаемом способе регулирования осуществляют следующим образом..

В момент изменения режима устанавливают . момент закрытия впускных клапанов в точке А*, а затем по мере разгона двигателя и роста давления наддувочного воздуха изменение моментов закрытия впускных клапанов осуществляют по линии А¹-А¹-0^ с ограничением давлений сжатия^алинией 7 и конца сжатия величиной р^.

При выходе.на заданный режим изменяют установку моментов закрытия впускных клапанов в функции нагрузки с ограничением давления конца сжатия величиной F_c_, .

При разгоне двигателя из точки D до режима работы,, характеризуемого давлением наддува P_KJ в момент изменения режима, устанавливают момент закрытия впускных клапанов в точке 0 * с последующей установкой моментов закрытия клапанов по мере разгона двигателя ло линии D^-O^.

Из приведенной диаграммы видно, что предлагаемый способ регулирования имеет большие возможности по увеличению заряда в цилиндре двигателя при разгоне двигателя в зоне высоких нагрузок при одинаковом ограничении давления конца сжатия и давления сгорания по сравнению с известными способами, так как у последних степень сжатия постоянна и определяется требованием надежного запуска двигателя.·

Об изменении величины нагрузки судят либо по давлению сжатого воздуха, либо по частоте вращения вала турбокомпрессора, либо по давлению сжатого воздуха и частоте вращения вала двигателя, либо частоте вращения вала двигателя и частоте вращения вала турбокомпрессора.

В предлагаемом способе регулирования двигателя внутреннего сгорания во время переходных процессов при нагрузке двигателя в эоне с регулированием используемой доли хода впуска возможна динамическая перегрузка относительно режима номинальной мощности в допустимых пределах.

Предлагаемый способ воздухоснабжения двигателя с системой Миллера обеспечивает улучшение переходных процессов при разгоне двигателя во всем диапазоне работы высокофорсированного двигателя внутреннего сгорания.

Claims (3)

1. Изобретение относитс  к машиностроению , в частности- к поршневым двигател м внутреннего сгорани , и может быть использовано дл  двигателей с регулированием фаз газораспределени  на переменных режимах работы. Известны способы воздухоснабжени  двигателей внутреннего сгорани  путе подачи сжатого воздуха в цилиндр при работе на установившихО  ре.жимах и подачи добавочного воздуха в турбокомпрессор в процессе изменени  вели чины нагрузки двигател . Добавочный воздух сжимают вспомогательным компрессором, приводным, например, гидродвигателем Подача добавочного воздуха улучшает работу двигател  на переходных режимах, однако при этом необходимы дополнительные агрегаты; компрессор и приводные механизмы. Известны способы воздухоснабжени  двигателей, лишенные этого недостатка . Добавочный воздух на переходных режимах обеспечивают путем увеличени  давлени  воздуха, сжимаемого тур бокомпрессором, на частичных нагрузках и снижени  давлени  наддува в зо не высоких нагрузок путем перепуска наддувочного воздуха или отработавших газов из газовоздушного тракта двигател  21 . Но эти способы регулировани  мало экономичны. Известен также способ воздухоснабжени  двигател  внутреннего-сгорани  путем сжати  воздуха в турбокомпрессоре , подачи сжатого воздуха в цилиндр во врем  хода впуска и прекращени  подачи до завершени  этого хода с регулированием момента прекращени  по импульсу о величине нагрузки Iспособ Миллера) . Двигатели с системой Миллера при частичных нагрузках, примерно до 60-70% мощности, работают без регулировани  фаз газораспределени  - с полным использованием хода впуска. Повышенные давлени  наддува, характерные дл  системы Миллера, обеспечивают в этой зоне работы двигател  высокие показатели переходных процессов при разгоне двигател  и увеличении нагрузки З. Однако, неполное использование хода впуска, привод щее к фактическому уменьшению рабочего объема цилиндров двигател , а также понижен- на  степень сжати , снижающа  эффективность цикла, ухудшают качество переходных процессов двигател  с сис темой Миллера в зоне высоких нагрузок , где врем  переходных процессов наиболее велико. Цель изобретени  - повышение приемистости двигател , оснащенного слетемой Миллера. Дл  достижени  поставленной цели при работе двигател  на установившем с  режиме подачу воздуха прекращают до завершени  хода впуска,а в процес се изменени  величины нагрузки момен прекращени  подачи воздуха совмещают с моментом завершени  хода впуска. В качестве параметра изменени  величины нагрузки могут быть использованы: давление сжатого воздуха, частота вращени  вала турбокомпрессора , давление сжатого воздуха и час тота вращени  вала двигател , частота вращени  вала двигател  и частота вращени  вала турбокомпрессора. На фиг. 1 изображена структурна  блок-схема системы регулировани  двигател ; на фиг. 2 - диаграмма изменени  давлени  в цилиндре (процесса впуска и сжати ) три различном моменте завершени  хода впуска. Структурна  блок-схема системы регулировани  двигател  дл  осуществлени  предлагаемого способа включает в себ  узлы регулировани , свойст венные двигател м с системой Миллера сервомеханизм 1 изменени  фаз газораспределени  в функции давлени  над дува, пульт 2 управлени  двигателем, воздействующий на задатчик режима 3 двигател , например объединенный регул тор числа оборотов. Привод клапанов, позвол ющий смещать во вре м  работы моменты закрыти  клапанов. Сервомеханизм 1 содержит сильфонный механизм, состо щий из сильфона 4, уравновешивающей пружины 5, кожуха б, в который по каналам 7 и 8 подводи гс  воздух из наддувочного коллектора .У двигател  10 внутреннего сгорани . Дно сильфона 4 при помощи механической передачи св зано с золотником, управл ющим силовым цилиндром сервомеханизма 1. Дл  осуществлени  регулировани  двигател  с системой Миллера по пред лагаемому способу сервомеханизм 1 снабжен двухпозиционным регулирующим устройством, включающим в себ  поршень 11 изменени  зат жки уравновешивающей пружины сильфонного мехаииз ма, электропневматический вентиль 12 Управл ющий подачей давлени  в надпоршневую полость 13 и упоры 14,огра .ничивающие крайние положени  поршн  11. Электропневматический вентиль управл етс  балансным реле 15, которое св зано с реостатом 16 пульта управлени  и реостатом 17 пневмоэлек трического преобразовател . Последний 18 преобразует давление наддувоч ного воздуха в пропорциональное сопротивление реостата 17. Закон изменени  сопротивлени  реостата 16 при перемещении руко тки 19 согласован с законом изменени  давлени  наддувочного воздуха в функции режима работы двигател , определ емого положением руко тки 1У пульта управлени . При установившемс  режиме работы двигател  сопротивление реостата 17, определ емое .величиной давлени  нгщдувочного воздуха, равно сопротивлению реостата 16 пульта управлени . При этом мост балансного реле 15 согласован, электропневматический вентиль закрыт, давлени  в полости 13 нет, поршень 11 находитс  в верхнем положении. Подача воздуха прекращаетс  до завершени  хода впуска. В процессе изменени  нагрузки (при ее увеличении)ч переводом руко тки 1У пульта управлени  в новое положение соответственно измен етс  величина сопротивлени  реостата 16, величина же давлени  воздуха в наддувочном коллекторе двигател  вследствие инерционности системы газотурбинного наддува, а следовательно, и величина сопротивлени  реостата 17 не соответствует вновь заданному режиму работы. При этом наступает разбаланс моста реле 15 и оно выдает импульс на открытие вентил  12,. который подает давление в полость 13, поршень 11 перемещаетс  вниз до упора, увели-, чива  зат жку уравновешивающей пружины 5. Увеличение зат жки пружины b измен ет установку фаз газораспределени  в направлении увеличени  используемой части хода впуска. Величина разбаланса моста реле 15, при которой измен етс  установка фаз газораспределени , выбираетс  в зависимости от конкретных характеристик двигател  при разгоне. При разгоне двигател  увеличиваютс  располагаема  энерги  газов перед турбиной, обороты турбокомпрессора и давление наддувочного воздуха. вентиль 12 будет открыт до тех пор, пока движок реостата пневмоэлектрического преобразовател  1в, перемеща сь при росте давлени  наддува , не приведет мостовую схему в состо ние равновеси . При этом вентиль 12 сбро,сит давление из полости 13 и поршень 11 займе.т верхнее положение , устанавлива  фазы газораспределени  в функции давлени  наддува , соответствуквцие установившемус  режиму работы двигател . На диагрёилме процесса впуска и сжати  (фиг. 2)( обозначены: ось абсцис Р0 - лини  атмосферного давлени , ось ординат - давлени  процесса, линии 20 - 22 - линии сжати  воздуха .3 компрессоре. Сжатый в турбокомпрессоре воздух при открытии впускных клапанов пода етс  в цилиндры двигател . Момент прекращени  подачи воздуха (точки и, О, Oj - моменты закрыти  впус ных клапанов) определ ет используем долю хода впуска - отрезки в, В, Вт, и используемую долю хода сжати  отрезки С,С,С., Лини  23 - лини  сжати  воздуха в цилиндре при работе двигател  наустановившем  режиме при малых и умеренных давлени х наддувочного воздуха (на диаграмме до давлени  Р, ) впускные клапаны закрывают в точке О и ход впуска используетс  полностью (отрезок В. При больших нагрузках двигател  (на диаграмме - при давлении наддувочного воздуха больше изменением моментов закрыти  впускных клапанов поддерживают давление конц сжати  Рд на посто нном уровне. Опережение закрыти  впускных клапанов уменьшает используемую долю хода впуска (отрезки В и BJ . При движении поршн  вниз происходит расширение воздуха в цилиндре двигател  (при давлении наддува Р по линии ., ,при - по линии Q V, , - . } , а затем сжатие по линий . . При этом, как показано лини ми 24 и 25, ход сжати  используетс  полностью (отрезки С2 и С) , вследствие чего снижаетс  действительна  степень сжати  в цилиндрах двигател  и давление конца сжати  Pg поддерживаетс  на посто нном уровне В. известном способе регулировани двигател  с системой Миллера измене ние моментов прекращени  подачи воздуха (закрыти  впускных клапанов при разгоне двигател  из точки А до режима работы, характеризуемого дав лением наддува Рц,, осуществл етс  по линии А-О,-ОЗ с ограничением дав лени  конца сжати  величиной Р. . На врем  переходного процесса прТ1 увеличении нагрузки и разгоне двигател  измен ют установку момент прекращени  подачи воздуха (закрыти  впускных клапанов) по импульсу о величине нагрузки двигател  в нап равлении более полного использовани хода впуска, чем при установившемс  режиме работы двигател , т.е. при одном и том же значении давлени  на дувочного воздуха Р во врем  переходного процесса осуществл ют более позднее закрытие впускных клапанов, чем при том же значении Р. во врем  установившегос  режима работы двига тел . Соответственно, частичное использование хода впуска осуществл ют с больших давлений наддувочного воздуха, например с давлени  . на приведенной диаграмме. изменение моментов закрыти  впус ных клапанов при разгоне двигател  из точки А до режима работы, характеризуемого давлением наддува предлагаемом способе регулировани  осуществл ют следующим образом.. В момент изме.нени  режима устанавливают . момент закрыти  впускных клапанов в точке А, а затем по мере разгона двигател  и роста давлени  нсцщувочного воздуха изменение моментов закрыти  впускных клапанов осуществл ют по линии А -А -(У с ограничением давлений сжати  линией 7 и конца сжати  величиной РГ При выходе.на заданный режим измен ют установку моментов закрыти  впускных клапанов в функции нагрузки с ограничением давлени  конца сжати  величиной Р . При разгоне двигател  из точки D до режима работы,, характеризуемого давлением наддува в Момент изменени  режима, устанавливают момент закрыти  впускных клапанов в точке О с последующей установкой моментов закрыти  клапанов по мере разгона двигател  ,по линии O-О. Из приведенной диаграммы видно, что предлагаемый способ регулировани  имеет большие возможности по увеличению зар да в цилиндре двигател  при разгоне двигател  в зоне высоких нагрузок при одинаковом ограниче.нии давлени  конца сжати  и. давлени  сгорани  по сравнению с известными способами, так как у последних степень сжати  посто нна и определ етс  требованием надежного запуска двигател .Об изменении величины нагрузки суд т либо по давлению сжатого .воздуха , либо по частоте врагцени  вала турбокомпрессора, либо по давлению сжатого воздуха и частоте вращени  вала двигател , либо частоте вращени  вала двигател  и частоте вращени  вала турбокомпрессора. В предлагаемом способе регулировани  двигател  внутреннего сгорани  во врем  переходны.х процессов при нагрузке двигател  в зоне с регулированием используемой доли хода впуска возможна, динамическа  перегрузка относительно режима номинальной мощности в допустимых пределах. Предлагаемый способ воздухоснабжени  двигател  с системой Миллера обеспечивает улучшение .переходных процессов при разгоне двигател  во всем диапазоне работы высокофорсированного двига- ел  внутреннего сгорани . Формула изобретени  1. способ воздухоснабжени  двигател  внутреннего сгорани  путем сжати  воздуха в турбокомпрессоре, подачи сжатого воздуха в цилиндр во врем  хода впуска и прекращени  подачи до завершени  этого хода с регулированием момента прекращени  по импульсу о величине нагрузки, о т лича щийс  тем, что, с целью повышени  приемистости двигател , при его работе на установившемс  режиме подачу воздуха прекраща ют до завершени  хода впуска,а в про цессе изменени  величины нагрузки мо мент прекращени  подачи воздуха совм тают с моментом завершени  хода впус ка. 2.Способ ПОП.1, отличающийс  тем, что об изменении величины нагрузки суд т по давлению сжатого воздаха. 3.Способ ПОП.1, отличающий с   тем, что дополнительно измер ют частоту вращени  вала турбокомпрессора , и об изменении величины нагрузки по частоте вращени  всша турбокомпрессора. 4.Способ по ПП.1 и 2, отличающийс  тем, что дополнительно измер ют частоту вращени  вала двигател , и об изменении величины нагрузки суд т по давлению сжатого воздуха и по частоте вращени  вала двигател . 5. Способ по пп. 1 и 3, отличающийс  тем, что дополнительно измер ют частоту вращени  вала двигател  и об изменении величины нагрузки суд т по частоте вращени  вала турбокомпрессора и ваша двигател . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент США 3921403, кл. 60-606, опублик. 1975.
2. 2.Дехович Д. А. Улучшение внешней характеристики двигател  16ЧН 26/26 путем регулируемого перепуска воздуха из компрессора в турбину. Энергомсштностроение , 1971, № 6.
3. 3.Патент США 2780912, кл. 60-611, опублик. 1957.

   7f

   /5

   РКЗ Оз РЗ / /

   Ркг

   Л

   л

   ,

   Т

   Сжатие

   Впуск