Двигун-генератор з гідромеханічним приводом агрегату наддування

Двигун-генератор з гідромеханічним приводом агрегату наддування, що містить двигун внутрішнього згоряння, з'єднаний з генератором, двигун містить блок циліндрів, циліндро-поршневу групу, колінчастий вал, який кінематично зв'язаний з регулятором, паливним насосом, гідромеханічним мультиплікатором, виконаним із вхідним, проміжним і вихідним валами, агрегат наддування, зв'язаний з вихідним валом мультиплікатора, охолоджувач наддувального повітря, повітрононапірний патрубок агрегату наддування, зв'язаний через охолоджувач наддувального повітря з повітряним ресивером двигуна, у якому встановлені вимірники параметрів наддувального повітря - датчик тиску ps і датчик температури ts, дільник - блок вагового U 2 UA 1 3 41625 4 обертання двигуна менш 650 об/хв тиск наддуван- якщо система повітропостачання двигуна настроєна на номінальний режим, то при роботі двиня менше значення необхідного для оптимізації αц, гун-генератора з 10 % перевантаженням, повітрощо приводить до підвищення температури випускпостачання недостатнє, низьке значення них газів, падінню індикаторного к.к.д. ηi і як наслікоефіцієнту надлишку повітря в циліндрі αц, низьдок, також погіршує паливну економічність. кий індикаторний к.к.д. ηi висока температура виТаким чином, для поліпшення паливної екопускних газів Тт і, як наслідок, термічне переванномічності тепловозного (транспортного) двигуна таження циліндро-поршневої групи; потрібна корекція параметрів наддування при зміні - якщо система повітропостачання двигуна начастоти обертання колінчастого вала, тиску й темстроєна на максимальний режим - з 10 % переванператури навколишнього середовища. таженням тоді, забезпечуючи високу надійність Відомо технічне рішення за заявкою циліндро-поршневої групи, на номінальному ре№4431054 ФРН, МПК6 F02B 37/04. Заявл. жимі повітропостачання надлишкове, на привод 01.09.1994р. надрук. 07.03.1996р. агрегату наддування від колінчастого вала відбиВідповідно до цього технічного рішення двигун рається зайва потужність, що негативно відбивамістить блок циліндрів, колінчастий вал, турбокомється на паливній економічності на цьому, основпресор, гідронасос і гідромотор. Гідронасос зв'язаному, режимі роботи. ний з колінчастим валом механічною передачею й Ці ж проблеми найбільше гостро проявляють гідравлічним контуром з гідромотором. Гідромотор себе при зміні температури навколишнього серечерез планетарну передачу з'єднаний з ротором довища від +40°С до -40°С и падінні барометричтурбокомпресора (ТК). ного тиску до 670 мм ртутного стовпа. Введення в конструкцію привода агрегату газотурбінного наддування гідронасоса й гідромотоПоліпшення паливної економічності найбільше ра є прогресивним кроком з метою забезпечення складно здійснити для транспортного двигуна, що регулювання αц працює довгостроково на холостому ходу й із частою зміною режимів роботи. Це рішення однак, має низку істотних недоліПодорожчання енергоносіїв ставить завдання ків, а саме: поліпшення паливної економічності на кожному з - не використані результати експерименту по режимів роботи двигуна, у тому числі крайніх: нодоведенню робочого процесу в циліндрі для ствомінальному й режимі холостого ходу. рення програмної системи регулювання наддуванЕкономічність номінального режиму визначаня. ється вузьким діапазоном коефіцієнта надлишку Відомо технічне рішення по пат. №6 205 786, повітря в циліндрі αц, що у свою чергу залежить США, МПК7 F02B 37/07. Заявл.16.06.1999р., навід температури й тиску повітря навколишнього друк. 27.03.2001р. середовища. При перепадах температури навкоВідповідно до цього технічного рішення двигун лишнього середовища від +40°С до -40°С и баромістить блок циліндрів, колінчастий вал, приводметричного тиску від 670 до 770 мм ртутного стовний нагнітач, гідромотор привода нагнітача, вільпа тиск наддувального повітря змінюється на 21%, ний ТК, повітряний патрубок, що з'єднує компреа номінальна потужність - на 19%. На холостому сор ТК із входом приводного нагнітача, клапан, ходу тепловозні двигуни працюють більше 60% установлений у повітряному патрубку, електрочасу. Наприклад, тепловозний двигун-генератор нний блок керування роботою клапана. 10Д100 наділений приводним відцентровим нагніПри роботі двигуна на малих частотах обертачем повітря у двоступінчастій системі наддувантання для збільшення подачі повітря в циліндри, ня двигуна. Привод нагнітача здійснюється від повітря з компресора ТК надходить у повітряний колінчастого вала двигуна за допомогою зубчастої патрубок, електронний блок керування відкриває передачі з постійним передатним відношенням. клапан у повітряному патрубку. Повітря з компреПараметри наддування (ступінь підвищення тиску сора ТК надходить на вхід приводного нагнітача й πк, витрата повітря Gs, температура Та й циклова далі, у повітряний ресивер двигуна. подача палива qц визначають значення коефіцієнДо недоліків такого технічного рішення варто та надлишку повітря αц у циліндрі; від αц безпосевіднести: редньо залежить індикаторний к.к.д. двигуна, а - низьку точність регулювання наддування, споживана нагнітачем потужність - величину метому що тиск наддувального повітря ps є одним з ханічних втрат, тобто істотно впливає на механічпараметрів, що впливають на ηi, двигуна, однак у програму керування наддуванням не закладені ний к.к.д. двигуна. попередньо зняті експериментально характерисНедолік постійного передатного відношення в тики паливного насоса Вч=f(nд, hp) індикаторного приводі нагнітача полягає в тім, що αц досягає оптимального значення тільки на одному швидкіснок.к.д. ηi=f(nд, αц). Найбільш близьким по технічній суті є «Регуму режимі за тепловозною характеристикою або у лювання наддування у двигунах з турбокомпресовузькому інтервалі зміни частоти обертання колінром» за пат. №1068 941 Англії, кл. F02B, зачастого вала двигуна. Наприклад, на тепловозноявл.01.11.1963р., надрук. 17.05.1967р. му двигун-генераторі 10Д100, оптимум по αц припадає на режим роботи при частоті обертання Відповідно до цього технічного рішення двигун колінчастого вала близько 650 об/хв. При частоті містить блок циліндрів, гільзи циліндрів, повітряобертання більше 650 об/хв тиск наддування надний ресивер і випускний колектор, ТК і патрубки, лишковий, а значить на привод нагнітача затрачащо з'єднують компресор і турбіну ТК із гільзами ється додаткова потужність від колінчастого вала, циліндрів, всережимний регулятор, шток виконавщо погіршує економічність двигуна; при частоті чого органа якого пов'язаний з паливними насоса 5 41625 6 ми й заслінкою перед ТК, датчик тиску надувальУ двигун-генераторі, що заявляється, реалізоного повітря рs установлений у повітряному ресивано: - відкоректована тепловозна характеристика, вері й пов'язаний із входом всережимного регулянаприклад, двигун -генератора 10Д100, що випустора. кається серійно, який працює як в умовах Крайньої Однак, двигун по пат. №1068941, Англії, має Півночі з температурою t~-50°C, так і в умовах істотні недоліки: Середньої Азії з t~+40...+50°C, під умови експлуа- не використані в системі наддування результації в цих районах - із системою самонастроютати доводочних випробувань на одноциліндровання агрегату наддування для реалізації максивому відсіку по досягненню максимального знамального значення ηi max. чення ηi двигуна; - не передбачений в системі регулювання - у систему регулювання роботи агрегату наднаддування зв'язок забезпечення максимального дування закладені результати експериментальних значення ηi у випадку, коли можливості системи досліджень на одноциліндровому відсіку й резульнаддування по збільшенню αц вичерпані, а устанотати експлуатації в діаметрально протилежних вка (сигнал) на реалізацію максимального ηi залирайонах за температурою й барометричним тисшається в силі. ком навколишнього середовища. За сукупністю істотних ознак це технічне ріСуть корисної моделі пояснюється кресленняшення прийняте як найближчий аналог. ми, де зображені: Таким чином, незважаючи на популярність вена Фіг.1 представлена принципова схема двиликої кількості оригінальних технічних рішень по гун-генератора з керуванням роботою гідромехапрограмному регулюванню агрегату наддування, нічного мультиплікатора привода агрегату наддупоки не створене досить ефективне рішення, у вання; програму якого закладені результати досліджень на Фіг.2 представлена експериментальна харобочого процесу в циліндрі на відсіку, а також рактеристика паливного насоса Вч=f(nд, hp) для коректування частоти обертання агрегату наддувизначення циклової подачі палива; вання з урахуванням зміни параметрів повітря на Фіг.3 представлена експериментальна занавколишнього середовища. лежність індикаторного К.К.Д у циліндрі двигуна ηi залежно від коефіцієнта надлишку повітря αц і часВ основу корисної моделі поставлене завдання - створення двигун-генератора, орієнтованого тоти обертання колінчастого вала nд, на Фіг.4 представлена принципова схема гідна максимальну паливну економічність в екстреромеханічного три швидкісного мультиплікатора мальних умовах експлуатації при зміні температупривода агрегату наддування - поздовжній розріз. ри навколишнього середовища +40°С до -40°С, Двигун-генератор складається із двигуна 1 і барометричного тиску 670...770 мм. рт. стовпа. генератора 2, з'єднаних еластичною муфтою 3. Поставлене завдання вирішується шляхом У блоці циліндрів 4 двигуна встановлені: колінаділення двигун-генератора системою програмнчастий вал 5, гільза циліндра 6, поршень 7, шаного керування три швидкісним мультиплікатором тун 8, паливний насос 9. привода агрегату наддування двигуна; у пам'ять На блоці циліндрів 4 установлені: гідромеханіблоків закладені результати доводочних і дослідчний тришвидкісний мультиплікатор 10 привода ницьких робіт на одноциліндровому відсіку. Двиагрегату наддування 11 двигуна 1, охолоджувач гун-генератор постачений вимірниками параметрів наддувального повітря 12, повітрянонапірний патнадувального повітря ps і ts, вимірниками частоти рубок 13, що з'єднує агрегат наддування 11 через обертання колінчатого вала nд і виходу (положення) рейки паливного насоса hp, блок задавання охолоджувач наддувального повітря 12 з повітряним ресивером 14 двигуна 1, регулятор 15, що оптимального значення αопт, при якому ηi, має маккінематично пов'язаний з колінчастим валом 5 симальне значення, цей блок пов'язаний з позиціонером і блоком порівняння αопт і αц, вихід з якого двигуна 1, рейкою паливного насоса 9 і позиціонезв'язаний із входом виконавчого механізму, вклюром (контролером) 16, вимірник частоти обертання чення й вимикання гідромуфт гідромеханічного 17 колінчастого вала 5. мультиплікатора привода агрегату наддування На двигуні встановлені вимірники параметрів (коректор роботи агрегату наддування). Другий наддувального повітря в повітряному ресивері 14: вимірник (датчик) тиску наддувального повітря вхід виконавчого механізму пов'язаний з позиціоps 18 і вимірник (датчик) температури надувальнонером, що спочатку задає частоту обертання коліго повітря ts 19. Ці датчики 18 і 19 вимірюють митнчастого вала двигуна й агрегату наддування, при цьому частота обертання агрегату наддування тєве значення параметрів наддувального повітря коректується сигналом із блоку порівняння αц і αопт. й, у вигляді електричних величин подають їх на відповідні їм входи дільника 20. Вихід з дільника dN На генераторі встановлений датчик похі20 характеризує миттєве значення вагового заряdτ ду повітря Ga у циліндрі: дної від навантаження за часом, що також є коректором частоти обертання агрегату наддування. 10 4 pd ⋅ Va , Ga = Другий вихід виконавчого механізму пов'язаний з Rs ⋅ Ta (1 + γ ) рейкою паливного насоса – коректор qц для випадT + ∆T + γ ⋅ Tr ку, коли можливості по наддуванню вичерпані, де Ta = s , 1+ γ зменшується qц, збільшується αц до значення, коли сигнал із блоку порівняння αц і αопт буде доріVa - об'єм циліндра в момент закриття вікон; внювати нулю, що забезпечить при незначному γ - коефіцієнт залишкових газів; зменшенні Ne реалізацію ηi max. 7 41625 8 навчого механізму 26, останній з'єднаний із триге∆T- підігрів повітряного заряду від гільзи циліром 25 через R-C ланцюжок, що втримує тригер 25 ндра й поршня; у включеному стані протягом часу, пропорційному Тr - температура залишкових газів; Rs - газова постійна; dN похідній від величини навантаження за часом. погрішність при визначенні Та становить не біdτ льше 1 відсотка. Другий вихід виконавчого механізму 26 пов'яВихід дільника 20 пов'язаний з першим входом заний з рейкою паливного насоса 9. дільника 21; на другий вхід дільника 21 надходить Випускний колектор 30 двигуна 1 з'єднаний з у вигляді електричного сигналу значення циклової газовою турбіною турбокомпресора, а напірний подачі палива qц. Для цього вимірник частоти обепатрубок компресора турбокомпресора з'єднаний ртання колінчастого вала 17 пов'язаний з першим із входом агрегату наддування 11 (на кресленні не входом функціонального перетворювача 22; друпоказане). На Фіг.4 представлена принципова гий вхід функціонального перетворювача 22 пов'ясхема гідромеханічного три швидкісного привода заний з регулятором 15 частоти обертання 10 агрегату наддування 11 двигун 1 - генератора останній характеризує миттєве положення рейки 2. паливного насоса 9. У функціональний перетвоГідромеханічний три швидкісний приводрювач 22 закладена, у математичній формі, харакмультиплікатор 10 теристика паливного насоса 9 конкретного двигуна установлений на блоці 4 двигуна 1 (див. Фіг.4). у функції Вч=f(nд, hp) - годинна витрата палива заУ корпусі 31 мультиплікатора 10 установлені вали лежно від частоти обертання колінчастого вала 5 і - вхідний 32, проміжний 33 і вихідний 34, обгінна положення рейки паливного насоса 9 (див. Фіг.2). муфта 35 і дві гідромуфти 36 і 37. Вихід з функціонального перетворювача 22, що Вхідний вал 32 виконаний порожнистим і за характеризує миттєве значення циклової подачі допомогою торсіона 38 пов'язаний з колінчастим палива qц валом 5 двигуна 1. На вхідному валу жорстко заВч кріплене зубчасте колесо 39, що кінематично по, qц = 360 ⋅ nд в'язане із ведучою шестірнею 40 проміжного вала 33. де Вч - годинна витрата палива; На проміжному валу 33 установлене зубчасте nд - частота обертання колінчастого вала 5 колесо 41 першої швидкості агрегату наддування з'єднаний із другим входом дільника 21. 11, зубчасте колесо 42 другої швидкості й зубчасте Таким чином, на один вхід дільника 21 надхоколесо 43 третьої швидкості агрегату наддування дить сигнал, пропорційний миттєвому значенню 11. Ga, на інший вхід - миттєвому значенню qц. Вихід з Зубчасте колесо 41 першої швидкості виконадільника 21, сигнал, що характеризує миттєве дійно із вмонтованою в ньому обгінною муфтою 35 і сне значення коефіцієнта надлишку повітря αц у кінематично з'єднано із шестірнею 44, що жорстко циліндрі на цикл, закріплена на вихідному валу 34 мультиплікатора. Ga (αц = , Зубчасте колесо 42 другої швидкості агрегату qт ⋅ L0 наддування 11 жорстко встановлено на проміжноде L0 - теоретично необхідна кількість повітря му валу 33 і кінематично з'єднано із шестірнею 45 на згоряння) з'єднаний з першим входом блоку вихідного вала 34, жорстко з'єднаної з насосним порівняння 23. Другий вхід блоку порівняння 23 колесом гідромуфти 36, і вільно встановленої на з'єднаний з виходом блоку завдання αопт 24; вхід валу 34. блоку завдання 24 з'єднаний з позиціонером 16. Зубчасте колесо 43 третьої швидкості агрегату Вихід із блоку завдання 24 характеризує оптиманаддування 11 жорстко встановлено на проміжнольне значення коефіцієнта надлишку повітря αопт, му валу 33 і кінематично пов'язане із шестірнею 46 при якому індикаторний к.к.д. ηi двигуна має маквихідного вала 34, жорстко з'єднаної з насосним симальне значення відповідно до наведеного на колесом гідромуфти 37 і вільно встановленої на Фіг.3 залежністю ηi=f(nд, αц) Для цього у блоку завалу 34. давання 24 закладена, у математичній формі, ексРобота двигун-генератора представлена за периментальна характеристика ηi=f(nд, αц) однорежимами його роботи: циліндрового двигуна, що визначає для кожного - запуск двигуна й холостий хід; швидкісного й навантажувального режимів зна- робота на сталих режимах; чення коефіцієнта надлишку повітря αопт. Вихід із - робота при перемиканні позиціонера; блоку порівняння 23 через тригер 25 з'єднаний з - робота при другій швидкості агрегату наддупершим входом виконавчого механізму 26, що по вання; черзі перемикає канали 27 і 28 підведення робочої - робота при третій швидкості агрегату наддурідини до відповідних гідромуфт, або повністю вання; блокує канали 27 і 28. Другий вхід виконавчого Робота двигун-генератора 1-2 в екстремальмеханізму 26 з'єднаний з позиціонером 16. них кінематичних умовах від +40°С до -40°С и ниДругий вхід тригера 25 з'єднаний з датчиком зькому барометричному тиску ~670 мм рт. ст. dN Запуск двигуна й холостий хід , уста29 похідної від навантаження за часом Позиціонер (контролер) 16 установлений у поdτ ложення, що відповідає холостому ходу двигунновленому на генераторі 2. генератора 1-2 - нульове положення рукоятки поДля виключення дзвінкового режиму роботи зиціонера 16. Положення позиціонера 16 визначає регулювального пристрою рухливого штока викороботу виконавчого механізму 26, що блокує кана 9 41625 10 ря в кожний момент часу в циліндрі αц =f(τ), надхоли 27 і 28 підведення робочої рідини до гідромуфт дить на вхід блоку порівняння 23 а. На другий вхід другої 36 і третьої 37 швидкості відповідно - у цьоблоку порівняння 23 надходить сигнал із блоку му випадку зазначені гідромуфти 36 і 37 перебузадавання 24 αопт (оптимум), зв'язаного з позиціовають у положенні проковзування щодо вихідного нером 16. Цей сигнал являє собою величину, провала 34 і не передають крутний момент на привод порційну оптимальному значенню коефіцієнта αопт, агрегату наддування 11. Колінчастий вал 5 двигупри якому індикаторний к.к.д. двигуна 1 має макна 1 за допомогою торсіона 38 приводить вхідний симальне значення. У блоці порівняння 23 поріввал 32 мультиплікатора 10, а з ним і зубчасте колесо 39. няються фактичне значення коефіцієнта надлишку Зубчасте колесо 39, кінематично пов'язане із повітря αц і оптимальне αопт. Якщо αц=αопт, то вихідний сигнал із блоку порівняння 23 на виконавчий шестірнею 40, жорстко встановленою на проміжмеханізм 26 не надходить, і агрегат наддування ному валу 33, приводить одночасно три зубчасті працює із частотою обертання, обумовленої позиколеса 41, 42, 43 першої, другої й третьої швидкоціонером 16 - без коректування. сті агрегату наддування, які у свою чергу привоЯкщо αцαопт із блоку порівКінематичний ланцюжок другої швидкості оберняння 23 сигнал надходить через тригер 25 на тання агрегату наддування 11: 39-40-42-45 провиконавчий механізм 26, що блокує канали 27 і 28, слизає внаслідок відсутності в гідромуфті 36 роборобоча рідина не надходить у гідромуфти 36 і 37, чої рідини. Кінематичний ланцюжок першої насосні колеса яких прослизають щодо турбінних швидкості обертання агрегату наддування 11: 39коліс, закріплених жорстко на вихідному валу 34 40-41-44 розімкнутий внаслідок того, що кутова мультиплікатора 10. Отже, крутний момент від швидкість вихідного вала 34 мультиплікатора 10 колінчастого вала 5 передається по кінематичному вище кутової швидкості проміжного вала 33 і обланцюжку 39-40-41-44 за допомогою обгінної муфгінна муфта 35 зубчастого колеса 41 розімкнута ти 35, забезпечуючи першу швидкість обертання (прослизає). Таким чином, на позиціях контролера V-VI-VII-VIII-IX-X працює кінематичний ланцюжок вихідного вала 34, а з ним і агрегату наддування 1. 39-40-43-46, забезпечуючи агрегату наддування 11 Робота двигун-генератора 1-2 на номінальнотретю швидкість обертання. му навантаженні Робота двигун-генератора 1-2 на високих наПозиціонер (контролер) 16 установлюється в вантаженнях (XV) положення -швидкість агрегату наддування Позиціонер 16 установлюється в положення 11 - програмна - перша. При вихідному сигналі із XI-XII-XIII-XIV, що відповідає другій швидкості агблоку порівняння 23 αц>αопт, включається друга швидкість агрегату наддування 11 - експлуатαція регату наддування 11; виконавчий механізм 26 двигун-генератора в умовах високої температури відкриває канал 27 і блокує канал 28, при цьому t≥40 °С навколишнього середовища й низькому робоча рідина надходить у гідромуфту другої барометричному тиску. швидкості 36 і її насосне колесо приводить відповідне турбінне колесо, жорстко встановлене на У випадку, якщо після включення другої швидвихідному валу 34 мультиплікатора 10, при цьому кості агрегату наддування 11 сигнал із блоку порікінематичний ланцюжок першої 39-40-41-44 і тревняння 23 залишається αц>αопт, включається третя швидкість агрегату наддування 11. (Механізм петьої 39-40-43-46 швидкостей розімкнутий. Агрегат ремикання швидкостей представлений вище). наддування 11 працює на другій швидкості. У випадку, якщо після включення третьої При вихідному сигналі αцαопт, виконавчий виконавчий механізм 26, який блокує канал 27 і механізм 26 діє на рейку паливного насоса 9 убік відкриває канал 28 надходження робочої рідини в зменшення циклової подачі доти, поки сигнал із гідромуфту 37 третьої швидкості. Такий варіант блоку неузгодженості 23 не буде дорівнювати нуроботи агрегату наддування 11 можливий при змілю, тобто αц=αопт (обмеження потужності двигунні температури навколишнього середовища убік генератора по індикаторному к.к.д., це обмеження збільшення ( зима-літо) або при низькому барометемператури газів, що відробили, виключення петричному тиску(~670 мм рт. ст.) регріву циліндро-поршневої 6-7 групи). 13 41625 14 15 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 41625 Підписне 16 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601