Двигун внутрішнього згоряння

Винахід відноситься до області машинобудування, зокрема до двигунобудування і може бути використаний при створенні транспортних двигунів, що працюють з частою зміною режимів роботи, в умовах високогір'я з низьким значенням барометричного тиску, зі зміною температури навколишнього середовища до +40° більше. Двигуни, що працюють при нормальних атмосферних умовах навколишнього середовища виконуються переважно з «вільним турбокомпресором». Газовий зв'язок двигуна з турбокомпресором («вільний ТК») забезпечує найбільшу економічність двигуна. Однак, при роботі двигуна з «вільним ТК» виявляється ряд факторів, що впливають негативно на паливну економічність: - малі навантаження; - низький барометричний тиск; - висока температура навколишнього середовища; (див. Н.П. Синенко, Ф.Г. Гринсберг, А.М. Скаженик «Исследование и доводка тепловозных дизелей»,М., « Машиностроение», 1975р., стор. 130...137) - перехідні процеси; - затяжні підйоми. Особливо перераховані вище проблеми виявляються на двигуна х з високим значенням середнього ефективного тиску (ре): при різкому перекладі рукоятки контролера з нульової позиції в п'ятнадцяту, рейка паливного насоса двигуна, після секундного запізнювання, до 6 сек. виходить на упор максимальної подачі палива, а «вільний турбокомпресор» виходить на відповідний режим протягом 25-30сек - протягом цього проміжку часу в циліндрі відбувається неповне згоряння палива, коефіцієнт надлишку повітря опускається до значення 1,01,2, індикаторний коефіцієнт корисної дії (ККД) знижується до 0,35-0,36, температура газів перед турбіною o підвищується до 900 - 970 C , ККД турбіни знижується до 0,52-0,55. Йде «перепалив» палива, двигун димить. Транспортний тепловозний дизель за статистичними даними, протягом години проходить 60-90 переключень, що складає 1500-2700сек, чи 40-75%. Таким чином, високофорсованний транспортний двигун з «вільним турбокомпресором» більш половини часу роботи під навантаженням працює зі зниженим індикаторним ККД із 0,43 до 0,35 (див. Стаття « К анализу рабочего процесса при переходных режимах тепловозного дизеля 12 Д70 с различными системами наддува» Збірник ХГП №22, Харків -1975р., стор. 39-46). Тому, високофорсованні по ре транспортні двигуни, виходячи з умов експлуатації, виконуються з приводними агрегатами газотурбінного наддування. (Див., наприклад, «Двигун 5ТДФ, - Технічний опис», Москва, 1977р.). Такі двигуни дуже ефективні в роботі при перехідних процесах, високій температурі навколишнього середовища, низькому барометричному тиску, але програють в економічності двигунам з «вільним» турбокомпресором. Особливо слід відмітити двигуни з комбінованою системою газотурбінного наддування - це двигуни з приводним турбокомпресором і роз'єднувальною муфтою. З цього конструктивного напрямку слід відмітити двигун типу 710G фірми GENERAL-MOTORS (див. Schiff and Hafen" 1986, №3, 53-54) (Каталог "Diesel and Gas Turbine Worldwide Catalog" 2001р.). Двигун типу 710G фірми GENERAL-MOTORS (США) користується попитом на світовому ринку і входить у число кращих по економічності двигунів цього класу, поряд із двигунами типу РА5 фірми SEMT-Pielstick (Франція), АТ25 фірми Sulzer (Швейцарія). Варто звернути увагу на конструкцію виконання системи газотурбінного наддування, що вирішує проблеми як холостого ходу і малих навантажень, так і практично дуже складну задачу для транспортних двигунів - це проблему перехідних режимів, а саме, на двигуні типу 710G установлений турбокомпресор, зв'язаний з колінчастим валом через підвищувальний двухшвидкісний редуктор, із установленими роз'єднувальними муфтами в кожнім швидкісному кінематичному ланцюзі. Приведене вище конструктивне рішення захищене пат. №4445337 США кл. F02B37/00, Заяв. 24.09.82р., опубл. 01.05.84р. Відповідно до цього технічного рішення двигун містить блок циліндрів, цилиндро-поршневу груп у, колінчастий і розподільний вали, турбокомпресор, кінематично зв'язаний з колінчастим валом - чотири роз'єднувальні муфти , вхідн у, проміжну і вихідн у шестірні, планетарний редуктор привода ротора турбокомпресора (ТК). Кінематичний зв'язок ТК і колінчастого вала являє собою ряд циліндричних шестірень, де: - вхідна шестірня зв'язана із шестірнею колінчастого вала і, через систему циліндричних шестірень - з розподільними валами двигуна; - вихідна шестірня редуктора зв'язана з агрегатом газотурбінного наддування, у корпусі якого встановлений планетарний редуктор з обгінною муфтою; - проміжна шестірня зв'язана: з вихідною шестірнею привода агрегату газотурбінного наддування; турбокомпресором; - з двома шестірнями різного діаметра, що забезпечують різні швидкості проміжної шестірні, а отже, і різне передатне відношення в кінематичному ланцюзі від колінчастого вала до турбокомпресора в залежності від частоти обертання колінчастого вала двигуна; - у шестірні низької швидкості встановлена роликова обгінна муфта; - у шестірні високої швидкості встановлена муфта з відцентровими вантажами і пружинними упорами і, додатково, дискова муфта. Така конструкція дозволяє, при роботі двигуна на малих навантаженнях автоматично включати підвищену передачу на привод турбокомпресора, а при роботі двигуна в зоні номінальної частоти обертання - знижену передачу на привод турбокомпресора; при перехідних процесах, внаслідок уповільнення обертання колінчастого вала - включати підвищену передачу. До недоліків конструкції варто віднести підвищену складність, наприклад, наявність тільки чотирьох муфт значно здорожує конструкцію: - нераціонально використаний кінематичний ланцюжок від колінчастого вала до турбокомпресора, тому що на двигуні крім агрегату газотурбінного наддування, є ще і масляні насоси, водяні насоси, паливопідкачуваюча помпа, регулятор, яким також необхідний привод і, не використовувати для цієї мети кінематичний ланцюжок від колінчастого вала до турбокомпресора вкрай нераціонально. Відомо технічне рішення за а.с. 1544999 СРСР МКИ 5 F02B37/00 Заявл. 23.05.88р. Опубл. 23.02.90. Відповідно до цього технічного рішення двигун містить блок циліндрів, колінчастий і розподільний вали, «вільний ТК», приводний ТК, редуктор привода ТК, гідромуфту, кришку циліндрів із встановленими в них додатковими продувними клапанами. «Вільний ТК» подає повітря на продувку; приводний ТК зв'язаний кінематичне з колінчастим валом через гідромуфту і служить для наддування. До недоліку варто віднести: - складність конструкції, що виражається в установці двох різних ТК, наявність у кришці циліндрів продувних клапанів, необхідність виконання їхнього привода; - надійність вузла привода турбокомпресора, що працює з лінійними швидкостями на зубі » 90м/сек і надійність інших приводів допоміжних агрегатів непорівнянні, тому класичне виконання конструкції привода ТК має той істотний недолік, що при необхідності планової заміни високонапруженного вузла (вихідний вал привода ТК і ін.) необхідно змінювати весь агрегат - (редуктор привода ТК і допоміжних агрегатів двигуна). У перспективі, дуже доцільно було б мати блокову конструкцію редуктора привода ТК і допоміжних агрегатів двигуна, що дозволяє заміну вибірково одного блоку. Відомо технічне рішення за заявкою №4431054 ФРН МКИ 6 F02B37/04 Заявл. 01.09.94р. Опубл. 07.03.96. Відповідно до цього технічного рішення двигун містить блок циліндрів, колінчастий вал, турбокомпресор, гідронасос і гідромотор. Гідронасос зв'язаний з колінчастим валом механічною передачею і гідравлічним контуром з гідромотором. Гідромотор через планетарну передачу з'єднаний з ротором ТК. Конструкторське рішення дуже оригінальне, тому що вирішує проблему «блочності конструкції»-ТК, планетарна передача, гідромотор; забезпечена реальна можливість ремонту високошвидкісного блоку, без втр учання в інші ланки редуктора. Однак заявлений двигун має істотні недоліки: - не може бути забезпечене якісне повітропостачання двигуна при перехідних процесах, тому що гідронасос кінематично зв'язаний з колінчастим валом і, при набросі навантаження і наступному за ним падінні частоти обертання колінчастого вала, падає і частота обертання гідронасоса, отже, форсажний режим розгону ТК конструктивно незабезпечений; - другим конструктивним недоліком є нераціональне використання кінематичного ланцюга від колінчастого вала до ТК, зокрема, для привода допоміжних агрегатів двигуна. Найбільш близьким по технічній суті є «Комбінований двигун» за заявкою №3224006 ФРН МКИ F02B37/00 F02B39/08 Заявл. 26.06.82р. Опубл. 29.12.83р. Відповідно до цього технічного рішення, заявлений високофорсований двигун містить блок циліндрів, колінчастий вал, охолоджувач наддувочного повітря, шестерний редуктор, що з'єднує ротор ТК із колінчастим валом двигуна, гідравлічна муфта з регульованим наповненням, встановлена в кінематичному ланцюзі ТК колінчастий вал, регульований направляючий апарат компресора, кришки циліндрів, сопла у випускних каналах кришки циліндрів. Регульований направляючий апарат установлений на вході в компресор ТК. У кришці циліндрів випускні канали виконані у вигляді сопел з метою підвищення ефективності використання енергії газів, що відробили, на турбіні. По сукупності істотних ознак це рішення прийняте як найближчий аналог. До недоліків варто віднести: - нераціонально використано кінематичний ланцюг між ТК і колінчастим валом - доцільно було б виконати одночасно і привод допоміжних агрегатів двигуна; - у конструкцію редуктора привода ТК не закладений принцип блочності вузлів, що значно здорожує вартість планового ремонту двигуна. Таким чином, незважаючи на популярність великої кількості оригінальних винаходів по установці на двигун приводного ТК через роз'єднувальну муфту, поки не створене досить просте, надійне й ефективне рішення, яке б дозволяло виконати привод ТК від колінчастого вала через роз'єднувальну муфту, при цьому одночасно, від цього ж кінематичного ланцюга виконати і привод усіх допоміжних агрегатів двигуна, а кінематичний ланцюг - «ТК - колінчастий вал» зробити в блоковому виконанні, що вирішує не тільки проблему планового ремонту високонапруженного вузла, але і проблему перехідних процесів, роботу двигуна в умовах високогір'я, високої температури навколишнього середовища, якісне повітропостачання при роботі двигуна на малих навантаженнях. В основу винаходу поставлена задача - створення двигуна, у якого ТК кінематично зв'язаний з колінчастим валом через роз'єднувальну муфту: Кінематичний ланцюг «ТК- колінчастий вал» додатково приводить усі допоміжні механізми й агрегати двигуна. Кінематичний ланцюг «ТК-колінчастий вал» виконаний блокової конструкції, причому блок приводного прискорювача ТК виконаний у вигляді окремого модуля, конструктивно забезпечує високу якість перехідних процесів, роботу двигуна в умовах високогір'я , високої температури навколишнього середовища, якісне повітропостачання при роботі двигуна на малих навантаженнях. Поставлена задача вирішується таким чином, що на двигуні встановлений блок приводного прискорювача ТК, (БППТК) кінематично зв'язаний з колінчастим валом через еластичний елемент, БППТК розташований між внутрішньою площиною антивібратора і стінкою блоку циліндрів, на якій він жорстко закріплений і додатково зафіксований розпірними проміжними втулками, жорстко зв'язаними з корпусом коробки привода агрегатів, установленому на стінці блоку циліндрів двигуна. Частота обертання вихідного вала блоку приводного прискорювача ТК при включеній роз'єднувальній муфті і при виключеній зв'язані залежністю: n n P i = n C+1 T +1 nT , nC і nC+1 - частота обертання ТК у режимі «вільного ТК» при і та і+1 - положенні рукоятки контролера; nT - теоретична (розрахункова) частота обертання ротора ТК у режимі «вільного ТК» при і та і+1 - положенні рукоятки контролера при забезпеченні оптимального значення коефіцієнта надлишку повітря з урахуванням o підвищеної температури навколишнього середовища ( ~ 40 C ) і зниженого барометричного тиску. Технічну доцільність створення і використання на двигуні «блоку приводного прискорювача ТК» (БППТК) можливо обґрунтува ти результатами експерименту - випробування двигуна при зміні барометричного тиску від o o 670 до 770мм водяного стовпа, зміні температури навколишнього середовища - 40 C до + 40 C . Результати приведені в додатку 1. Блок приводного прискорювача ТК виконаний у рознімному корпусі з встановленими в ньому валами вихідним, проміжним і вхідним, причому один кінець вихідного вала зв'язаний з ротором ТК, інший кінець - через проміжний вал зв'язаний з турбінним колесом гідромуфти, установленим на вхідному валу на підшипниках і жорстко зв'язаним з його веденою шестірнею і кожухом, що спирається за допомогою підшипників на насосне колесо гідромуфти, розташоване усередині кожуха і жорстко зв'язане з ведучим валом , а ведуча шестірня вхідного вала кінематично зв'язана з еластичною шестірнею колінчастого вала (еластичний елемент), розташованою з зовнішньої площини антивібратора. У двигуні, що заявляється, реалізовано: - установлено блок приводного прискорювача ТК (БППТК), що вирішує проблеми роботи двигуна в екстремальних умовах (перехідні процеси, затяжні підйоми, різкі перепади температури навколишнього середовища, низький барометричний тиск); - простота зборки і регулювання; (БППТК) конструктивно виконаний з можливістю його заміни без порушення цілісності коробки привода допоміжних агрегатів двигуна. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де зображені: На фіг.1 представлена принципова схема пропонованого двигуна – найбільш складний варіант виконання 8ми циліндровий V-подібний двигун з механізмом зрівноважування сил інерції другого порядку (системою Ланчестера). на фіг.2 - представлений перетин А -А згідно фіг.1; на фіг.3 - представлений вид А згідно фіг.1; на фіг.4 - представлений вид В згідно фіг.3; на фіг.5 - представлений вид С згідно фіг.3; на фіг.6 - представлений перетин В -В згідно фіг.2; на фіг.7 - представлена принципова схема установки і стопоріння на двигуні блоку приводного прискорювача ТК (БППТК); на фіг.8 - представлений перетин А -А згідно фіг.7; на фіг.9 - представлений загальний вид (поздовжній розріз) блоку приводного прискорювача ТК (БППТК); на фіг.10 - представлений перетин А-А згідно фіг.8; на фіг.11 представлена залежність частоти обертання ТК від положення рукоятки контролера: __________ газовий зв'язок двигуна і ТК ----------- теоретична (розрахункова) частота обертання ротора ТК на й і і+1 положенні рукоятки контролера при забезпеченні оптимального значення коефіцієнта надлишку повітря з урахуванням підвищеної температури o навколишнього середовища ~ 40 C ) і зниженого барометричного тиску; на фіг.12 представлена принципова схема пропонованого двигуна, наприклад, у 12-ти чи 16-ти циліндровому виконанні; на фіг.13 представлений перетин А-А згідно фіг.12. Двигун внутрішнього згоряння, наприклад V-подібний (див. фіг.1) містить блок циліндрів 1, цилиндропоршневу гр упу (на кресленні не показано), коробку 2 привода допоміжних агрегатів і турбокомпресора, охолоджувачі наддувочного повітря 3 (див фіг.3) водяні насоси 4, масляні насоси 5 і 6, регулятор 7 і турбокомпресор 8 (див. фіг.3 , 4, 5). У дійсному описі розглянутий 8-ми циліндровий V-подібний двигун, як найбільш складний варіант конструктивного виконання, що вимагає додатково установки системи зрівноважування сил інерції другого порядку, що ускладнює і без того складне компанування. У блоці циліндрів 1 установлений колінчастий вал 9, на передньому носку якого розташований антивібратор 10 і дві шестірні 11 і 12 (див. фіг.1, 2). Шестірня 11 приводить, через шестірні 13 і 14, механізм зрівноважування сил інерції другого порядку і через шестірні 15 і 16 маслонасоси 5 і 6 (див. фіг. 2, 3, 4, 5). На блоці циліндрів 1 додатково встановлений агрегат - блок приводного прискорювача ТК (БППТК) 17 (див. фіг.6, 7, 8), кінематичне зв'язаний з колінчастим валом 9. Блок приводного прискорювача ТК 17 призначений для забезпечення якісного повітропостачання двигуна при роботі його в екстремальних умовах - перехідні процеси, різкий наброс навантаження, висока температура навколишнього середовища, низький барометричний тиск, робота на малих навантаженнях. Блок приводного прискорювача ТК 17 автономний і в залежності від призначення двигуна й умов експлуатації може бути конструктивно виконаний під задані замовником вихідні параметри двигуна. Еластична шестірня 12 кінематично зв'язана з блоком приводного прискорювача ТК 17, і через шестірні 18 і 19 (див. фіг.2), приводить водяні насоси 4 і регулятор 7 (див. фіг.3, 4, 5). Блок приводного прискорювача ТК 17 розташований між внутрішньою площиною антивібратора 10 і стінкою 20 блоку циліндрів 1 (див фіг.1, 6). Таке розташування блоку приводного прискорювача ТК 17 забезпечує зручність монтажу й істотне зменшення габариту двигуна по довжині (при класичному виконанні редуктора привода ТК таке взаємне розташування вузлів зібрати неможливо). Конструктивно двигун, що патентується, виконаний таким чином, що монтаж і демонтаж блоку приводного прискорювача ТК 17 не впливає на конструкцію двигуна і, той самий двигун може бути виконаний або з «вільним ТК», або з приводним ТК і роз'єднувальною муфтою. Конструктивно блок приводного прискорювача ТК являє собою агрегат, що дозволяє двигун у працювати або з «вільним ТК», (газовий зв'язок ТК із двигуном), або включений приводний ТК з урахуванням відхилень o (підвищення) температури навколишнього середовища ( ~ 40 C ) і зниженого барометричного тиску до ~ 670 мм водяного стовпа, при різкому збільшенні навантаження двигуна, при затяжних підйомах транспортної машини. Після установки на передній стінці 20 блоку циліндрів 1 блоку приводного прискорювача ТК 17, на тій же стінці 20 кріпиться корпус 21 коробки 2 привода допоміжних агрегатів і турбокомпресора. Стопориться блок приводного прискорювача ТК 17 проміжними втулками 22 (див. фіг.1, 6, 7). Блок приводного прискорювача ТК 17 виконаний у рознімному збірному корпусі 23-24, що складається з зовнішнього 23 і внутрішнього 24 корпусів (див. фі г.9, 10). У корпусі 23 установлені вхідний 25 і проміжний 26 вали, а в корпусі 24 - вихідний вал 27 (див. фіг.9). На вхідному валу 25 установлена гідромуфта 28-29, де 28 насосне колесо, 29 - турбінне колесо (див. фіг.9). Внутрішній корпус 24 із встановленим у ньому вихідним валом 27 монтується в зібраному зовнішньому корпусі 23. Один кінець вихідного вала 27 зв'язаний з ротором ТК 3 (див. фіг.1, 9), інший кінець - через проміжний вал 26 зв'язаний з турбінним колесом 29 гідромуфти 28 - 29. Турбінне колесо 29 установлене на підшипниках 30, що спираються на вал 25, жорстко зв'язано з веденою шестірнею 31 вхідного вала 25 і кожухом 32, що спирається за допомогою підшипників 33 на насосне колесо 28, розташоване усередині кожуха 32 і жорстко зв'язане з ведучим валом 25. На ведучому валу 25 БППТК 17 жорстко закріплена ведуча шестірня 34, на проміжному валу - шестірні 35 і 36, на вихідному валу шестірня 37. Ведуча шестірня 34 за допомогою еластичної шестірні 12 з'єднана з колінчастим валом 9 і розташована з зовнішньої сторони антивібратора (див. фіг.1). Передатні відносини шестірень 35, 36, 37 вибираються в залежності від вимог до вихідних параметрів двигуна і з обліком раніше проведених випробувань в екстремальних умовах, (наприклад, додаток 1), іспитах двигуна з «вільним ТК». Частота обертання вихідного вала БППТК при включеній роз'єднувальній муфті зв'язані залежністю: (див. фіг.11) n n P i = n C+1 T +1 n T , (див. фіг.10) де: nПі - частота обертання ротора ТК при включеній роз'єднувальній муфті (гідромуфті); і - положення рукоятки контролера; nС+1 - частота обертання ТК у режимі «вільного »ТК при і+1 положенні рукоятки контролера; nТ та nТ+1 - теоретична (розрахункова) частота обертання ротора ТК при і та і+1 - положенні рукоятки контролера при забезпеченні оптимального значення коефіцієнта надлишку повітря з урахуванням підвищеної температури навколишнього середовища і зниженого барометричного тиску. На фіг.12 і фіг.13 представлена, як варіант, принципова схема двигуна без системи зрівноважування, але постаченого блоком приводного прискорювача ТК. При роботі двигуна в нормальних атмосферних умовах, роз'єднувальна муфта 28-29 виключена - зв'язок ТК 8 з колінчастим валом 9 роз'єднана і ТК 8 працює в режимі «вільного »ТК. При роботі двигуна в режимі малих навантажень, високій температурі навколишнього середовища і низькому барометричному тиску, перехідних процесах, вимірювальна аппаратура коефіцієнта надлишку повітря двигуна (на кресленні не показане) включає роз'єднувальну муфту 28-29, включається в роботу БППТК 17 і ротор ТК 8 зв'язаний з колінчастим валом 9 і працює з підвищеною частотою обертання при дотриманні умови: n n P i = n C+1 T +1 nT . Дизель-генератор 10Д100 Додаток 1 Таблица изменения полной мощности двигателя в киловатах и абсолютного давления наддувочного воздуха в кг/см2 в зависимости от барометрического давления и температуры окружающей среды Температура ОбознаБарометрическое давление в мм рт.ст. окружающей чение 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 среды в °С N 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 -40 Ps 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 N 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 -30 Ps 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 Ν 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 -20 Ps 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 Ν 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 -10 Ps 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 Ν 1975 2000 2025 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 2050 0 Ps 2,09 2,12 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 2,15 +10 Ν 1900 1925 1950 1975 2000 2025 2050 2050 2050 2050 2050 +20 +30 +40 Ps Ν Ps Ν Ps N Ps 1,97 1825 1,88 1750 1,79 1675 1,7 2,0 1850 1,91 1775 1,82 1700 1,73 2,03 1875 1,94 1800 1,85 1725 1,76 2,06 1900 1,97 1825 1,88 1750 1,79 2,09 1925 2,0 1850 1,91 1775 1,82 2,12 1950 2,03 1875 1,94 1800 1,85 2,15 1975 2,06 1900 1,97 1825 1,88 2,15 2000 2,09 1925 2,0 1850 1,91 2,15 2025 2,12 1950 2,03 1875 1,94 2,15 2050 2,15 1975 2,06 1900 1,97 2,15 2050 2,15 2000 2,09 1925 2,0