способ и система регулирования двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом и искровым зажиганием

Формула изобретения

1. Способ регулирования двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом и искровым зажиганием, заключающийся в том, что в процессе работы двигателя при изменении скоростных и нагрузочных режимов его работы осуществляют автоматическое регулирование давления P_s во впускном коллекторе двигателя путем перепуска части отработавших газов в обход турбины турбокомпрессора перепускным клапаном, управляемым мембранным исполнительным приводом под действием разницы между давлением P_s и атмосферным давлением P_о, отличающийся тем, что осуществляется согласованное регулирование давления P_s турбонаддува, давления топливоподачи P_топл и угла опережения зажигания путем автоматического регулирования последовательной подачи атмосферного воздуха через фильтрующую полость воздушного двухполостного фильтра и первый воздушный ресивер, соединенный с выходом фильтрующей полости воздушного двухполостного фильтра, осуществляют проход всего потока отфильтрованного воздуха в обход компрессора на частичных нагрузках через выход первого ресивера, первый байпасный канал с саморегулирующимся пневмоклапаном, при полных нагрузках последовательно через компрессор, саморегулирующийся пневмоклапан, внутреннюю нефильтрующую полость двухполостного фильтра, второй ресивер, карбюратор и впускной коллектор, подают воздух в цилиндры двигателя, при минимальных нагрузках и холостых режимах отфильтрованный воздух из первого ресивера подается через второй байпасный канал и пневмоклапан во второй ресивер, последовательно соединенный со входом карбюратора, пневмоклапан управляется первым мембранным приводом, который открывает второй байпасный канал при прикрытии дроссельных заслонок в карбюраторе посредством разницы давлений P_о и P_s во впускном коллекторе, обеспечивая проход отфильтрованного воздуха через первый ресивер, минуя компрессор, осуществляют автоматическое регулирование открытия и отслеживания угла поворота дроссельной заслонки во второй камере карбюратора в зависимости от разрежения в первом ресивере с помощью второго мембранного привода, работающего под действием разницы атмосферного давления и разрежения в первом ресивере, а автоматическое регулирование подачи топлива в карбюратор осуществляют с помощью последовательно соединенных мембранного топливного насоса и клапана пневмокорректора топливоподачи с обратным сливом излишков топлива из топливного насоса и клапана пневмокорректора топливоподачи в бензобак через демпфер, причем подача топлива в карбюратор осуществляется через выход клапана пневмокорректора топливоподачи, регулирование P_топл в зависимости от давления после компрессора P_к, осуществляется с помощью подвода давления P_к в полость под мембрану топливного насоса и в клапан пневмокорректора топливоподачи, а автоматическое регулирование угла опережения зажигания осуществляется с помощью пневмокорректора-прерывателя посредством третьего мембранного привода, работающего под действием разницы между давлением P_s турбонаддува и атмосферным давлением P_о, регулируя угол опережения зажигания в зависимости от параметров турбонаддува на всех режимах работы двигателя.

2. Система регулирования двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом и искровым зажиганием, содержащая турбокомпрессор, перепускной клапан, обеспечивающий перепуск части отработавших газов в обход турбины турбокомпрессора и мембранный исполнительный привод, управляющий перепускным клапаном под действием разницы давления во впускном коллекторе и атмосферного давления, отличающаяся тем, что система снабжена первым и вторым ресиверами, первым и вторым байпасными каналами, саморегулирующимся пневмоклапаном и пневмоклапаном, последовательно соединенных с карбюратором мембранного топливного насоса и клапана пневмокорректора топливоподачи с возможностью обратного слива излишков топлива из топливного насоса и клапана пневмокорректора топливоподачи в бензобак через демпфер, и пневмокорректором- прерывателем автоматического регулирования угла опережения зажигания, причем первый ресивер соединен с выходом фильтрующей полости воздушного двухполостного фильтра, первый выход первого ресивера соединен со входом компрессора, второй выход первого ресивера через первый байпасный канал с саморегулирующимся пневмоклапаном выполнен с возможностью осуществления прохода всего потока отфильтрованного воздуха в обход компрессора на частичных режимах, а при полных нагрузках, последовательно через компрессор, саморегулирующийся пневмоклапан, внутреннюю нефильтрующую полость воздушного двухполостного фильтра, второй ресивер, карбюратор и впускной коллектор - в цилиндры двигателя, при этом на минимальных нагрузках и холостых режимах отфильтрованный воздух подается через второй байпасный канал и пневмоклапан во второй ресивер, соединенный с входом карбюратора, пневмоклапан управляется первым мембранным приводом, открывающим второй байпасный канал при прикрытии дроссельных заслонок в карбюраторе посредством разницы атмосферного давления и давления во впускном коллекторе двигателя, обеспечивая проход отфильтрованного воздуха через первый ресивер, минуя компрессор и автоматическое регулирование открытия, отслеживание угла поворота дроссельной заслонки во второй камере карбюратора в зависимости от разрежения в первом ресивере осуществляют с помощью второго мембранного привода, работающего под действием разницы атмосферного давления и разрежения в первом ресивере, а пневмокорректор-прерыватель осуществляет автоматическое регулирование угла опережения зажигания посредством третьего мембранного привода, работающего под действием разницы между давлением турбонаддува во впускном коллекторе и атмосферным давлением.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в системах наддува и топливоподачи двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием.

Известны способ и система для его реализации, принятые за прототип, обеспечивающие регулирование ДВС при изменении скоростных (_дв) и нагрузочных (M_нагр) режимов его работы и осуществляющие автоматическое регулирование давления (P_s) во впускном коллекторе ДВС путем перепуска части отработавших газов (ОГ) в обход турбины турбокомпрессора (ТКР) перепускным клапаном, управляемым мембранным исполнительным приводом под действием разницы между давлением P_s и атмосферным давлением (P_o) (см. патент США N 4548038, МПК F 02 B 37/12, 1985 г.).

Однако, данный способ и система для его реализации не обеспечивает глубокое регулирование ДВС по его определяющим координатам - углу (_заж) опережения зажигания, давлению (P_топл), что не позволяет достичь требуемых показателей по топливной экономичности и экологии.

Задача изобретения заключается в улучшении показателей топливной экономичности и экологии.

Поставленная задача в части способа решается тем, что способ регулирования двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом и искровым зажиганием заключается в том, что в процессе работы двигателя при измерении скоростных и нагрузочных режимов его работы осуществляют автоматическое регулирование давления P_s во впускном коллекторе двигателя путем перепуска части отработавших газов в обход турбины турбокомпрессора перепускным клапаном, управляемым мембранным исполнительным приводом под действием разницы между давлением P_s и атмосферным давлением P_o, причем, осуществляется согласованное регулирование давления P_s турбонаддува, давления топливоподачи P_топл и угла опережения зажигания, путем автоматического регулирования последовательной подачи атмосферного воздуха через фильтрующую полость воздушного двухполостного фильтра и первый воздушный ресивер, соединенный с выходом фильтрующей полости воздушного двухполостного фильтра, осуществляют переход всего потока отфильтрованного воздуха в обход компрессора на частичных нагрузках через выход первого ресивера, первый байпасный канал с саморегулирующимся пневмоклапаном, при полных нагрузках последовательно через компрессор, саморегулирующийся пневмоклапан, внутреннюю нефильтрующую полость двухполостного фильтра, второй ресивер, карбюратор и впускной коллектор, подают воздух в цилиндры двигателя, при минимальных нагрузках и холостых режимах отфильтрованный воздух из первого ресивера подается через второй байпасный канал и пневмоклапан во второй ресивер, последовательно соединенный со входом карбюратора, пневмоклапан управляется первым мембранным приводом, который открывает второй байпасный канал при прикрытии дроссельных заслонок в карбюраторе посредством разницы давлений P_o и P_s во впускном коллекторе, обеспечивая проход отфильтрованного воздуха через первый ресивер, минуя компрессор, осуществляют автоматическое регулирование открытия и отслеживания угла поворота дроссельной заслонки во второй камере карбюратора в зависимости от разрежения в первом ресивере с помощью второго мембранного привода, работающего под действием разницы атмосферного давления и разрежения в первом ресивере, а автоматическое регулирование подачи топлива в карбюратор осуществляют с помощью последовательно соединенных мембранного топливного насоса и клапана пневмокорректора топливоподачи с обратным сливом излишков топлива из топливного насоса и клапана пневмокорректора топливоподачи в бензобак через демпфер, при этом подача топлива в карбюратор осуществляется через выход клапана пневмокорректора топливоподачи, регулирование P_топл в зависимости от давления после компрессора P_к, осуществляется с помощью подвода давления P_к в полость под мембрану топливного насоса и в клапан пневмокорректора топливоподачи, а автоматическое регулирование угла опережения зажигания осуществляется с помощью пневмокорректора-прерывателя посредством третьего мембранного привода, работающего под действием разницы между давлением турбонаддува и атмосферного давления P_о, регулируя угол опережения зажигания в зависимости от параметров турбонаддува на всех режимах работы двигателя.

Поставленная задача в части устройства решается тем, что система регулирования двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом и искровым зажиганием содержит турбокомпрессор, перепускной клапан, обеспечивающий перепуск части отработавших газов в обход турбины турбокомпрессора и мембранный исполнительный привод, управляющий перепускным клапаном под действием разницы давления во впускном коллекторе и атмосферного давления, причем, система снабжена первым и вторым ресиверами, первым и вторым байпасными каналами, саморегулирующимся пневмоклапаном и пневмоклапаном, последовательно соединенных с карбюратором мембранного топливного насоса и клапана пневмокорректора топливоподачи, с возможностью обратного слива излишков топлива из топливного насоса и клапана пневмокорректора топливоподачи в бензобак через демпфер, и пневмокорректором-прерывателем автоматического регулирования угла опережения зажигания, при этом первый ресивер соединен с выходом фильтрующей полости воздушного двухполостного фильтра, первый выход первого ресивера соединен со входом компрессора, второй выход первого ресивера через первый байпасный канал с саморегулирующимся пневмоклапаном выполнен с возможностью осуществления провода всего потока отфильтрованного воздуха в обход компрессора на частичных режимах, а при полных нагрузках, последовательно через компрессор, саморегулирующийся пневмоклапан, внутреннюю нефильтрующую полость воздушного двухполостного фильтра, второй ресивер, карбюратор и впускной коллектор - в цилиндры двигателя, на минимальных нагрузках и холостых режимах отфильтрованный воздух подается через второй байпасный канал и пневмоклапан во второй ресивер, соединенный с входом карбюратора, пневмоклапан управляется первым мембранным приводом, открывающим второй байпасный канал при прикрытии дроссельных заслонок в карбюраторе посредством разницы атмосферного давления и давления во впускном коллекторе двигателя, обеспечивая проход отфильтрованного воздуха через первый ресивер, минуя компрессор, автоматическое регулирование открытия и отслеживания угла поворота дроссельной заслонки во второй камере карбюратора в зависимости от разрежения в первом ресивере осуществляется с помощью второго мембранного привода, работающего под действием разницы атмосферного давления и разрежения в первом ресивере, а пневмокорректор-прерыватель осуществляет автоматическое регулирование угла опережения зажигания посредством третьего мембранного привода, работающего под действием разницы между давлением турбонаддува во впускном коллекторе и атмосферным давлением.

На фиг. 1 показана система регулирования двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом и искровым зажиганием.

Фиг. 2 - графики стендовых испытаний заявленной системы и штатной системы двигателя автомобиля ВАЗ 2106.

В состав системы регулирования ДВС с турбонаддувом и искровым зажиганием входят следующие элементы, показанные на фиг. 1:

1 - турбина турбокомпрессора (ТКР),

2 - компрессор ТКР,

3 - двухполостной воздушный фильтр,

4 - первый ресивер,

5 - первый байпасный канал ресивера,

6 - второй байпасный канал ресивера,

7 - саморегулирующийся клапан,

8 - второй ресивер,

9 - карбюратор,

10 - впускной коллектор,

11 - пневмоклапан,

12 - первый мембранный привод,

13 - второй мембранный привод,

14 - исполнительный мембранный привод,

15 - перепускной клапан,

16 - бензобак,

17 - мембранный насос,

18 - пневмокорректор топливоподачи,

19 - демпфер топливоподачи,

20 - корректор угла опережения зажигания,

21 - третий мембранный привод,

22 - центробежный регулятор угла опережения впрыска,

23 - пневмокорректор-прерыватель,

24 - катушка зажигания,

25 - распределитель высокого напряжения,

26 - свеча зажигания,

27 - ДВС.

Данный способ и система, его реализующая, была апробирована на двигателях АЗЛК и Волжского автозавода в эксплуатации на автомобилях "Москвич", "Жигули". В результате показатели автомобиля, оснащенного предлагаемой системой, существенно улучшились. Контрольный расход топлива при скоростях движения автомобилей 80 - 100 км/час до 25% ниже базового автомобиля в зависимости от параметров настройки системы регулирования. Динамика разгона автомобиля от 0 до 100 км/час на горизонтальном участке ровного шоссе при полной массе автомобиля на 10 - 20% (в зависимости от настройки системы) лучше, чем у базового. Улучшены экологические показатели автомобиля по выбросам CO, CH и NO_x.

В состав реализованной системы входили следующие элементы:

- турбокомпрессор,

- подсистема регулирования турбонаддува, устанавливаемая непосредственно на турбокомпрессоре,

- бензонасос с доработкой под подсистемой регулирования давления P_топл топливоподачи,

- распределитель зажигания базовый с подсистемой регулирования угла опережения зажигания,

- клапан пневмокорректора регулирования давления P_топл топливоподачи,

- магистраль слива масла из турбокомпрессора в поддон,

- магистраль перепуска топлива в бак,

- корпус воздушного фильтра,

- приемная труба (базовая с доработкой),

- поддон (базовый с доработкой).

В комплект системы также входят кронштейны, хомуты, гайки упорные и накидные, переходники, рукава резиновые воздушные, бензиновые, штуцера, ниппели, элементы крепежа и прокладки.

Работа системы осуществляется следующим образом: выхлопные газы от двигателя подаются в турбину 1 турбокомпрессора, где отдают свою энергию и затем поступают в приемную трубу и глушитель. На одном валу с турбиной 1 находится компрессор 1 турбокомпрессора. Через воздушный фильтр 3 и ресивер 4 воздух поступает на вход в компрессор 2, где сжимается в колесе компрессора 3 и через корпус поступает в карбюратор 9. Вращение вала турбокомпрессора осуществляется в специальных подшипниках. Подвод масла к подшипникам осуществляется из масляной магистрали двигателя, а слив из ТКР в поддон двигателя.

С целью изоляции компрессора и турбины от газомасляной полости в корпусе подшипников выполнены специальные уплотнения в виде резиновых (типа поршневых) колец.

Использование энергии выпускных газов в турбокомпрессоре для сжатия воздуха позволяет в один и тот же литраж (объем цилиндров) двигателя 27 подавать большие по весу количества воздуха и рабочей смеси и обеспечить увеличение мощности (крутящего момента) на требуемых режимах, не превышая при этом предельных величин крутящего момента двигателя, а за счет дополнительного использования выпускных газов повысить КПД двигателя и, соответственно, снизить удельный расход топлива на 5 - 20%. При соответствующих регулировках системы наддува достигается снижение выбросов токсических компонентов CO и CH, а в случае применения турбонаддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха NO_x. В отличие от традиционно применяемых систем снижения токсичности с нейтрализаторами система турбонаддува не понижает мощность и не ухудшает расхода топлива, а также не реагирует на применение этилированных бензинов, которые отравляют катализатор, что приводит к выходу из строя нейтрализатора, электронных датчиков и даже к самовозгоранию нейтрализатора.

Система регулирования турбонаддува состоит из перепускного клапана 15 для выпускных газов, клапан выполнен в корпусе турбины и открывается или закрывается при вращении оси, которая приводится во вращение за счет перемещения штока. Шток связан с пневмоприводом (камерой управления) мембранного типа.

Управляющим сигналом для мембранного привода является давление P_s турбонаддува, подводимое по воздухопроводу от точки отбора.

Данная система регулирования ограничивает давление P_s при высоких частотах вращения коленчатого вала за счет прохода части газа, минуя турбину через регулировочный клапан, что обеспечивает бездетонационную работу двигателя.

Клапан пневмокорректора 18 топливоподачи устанавливается на трассе подачи топлива в карбюратор 9 и осуществляет коррекцию подачи топлива в зависимости от давления P_s. Управляющим сигналом служит давление P_s. Данный клапан пневмокорректора 18 топливоподачи мембранного типа настраивается таким образом, что обеспечивает оптимальное протекание подачи топлива во всем диапазоне рабочих режимов двигателя. За счет изменения коэффициентов усиления звеньев системы регулирования достигается различная настройка системы турбонаддува и, соответственно, различные характеристики двигателя.

Базовый бензонасос 17 доработан таким образом, что он обеспечивает подачу топлива в поплавковую камеру карбюратора 9 при избыточном по сравнению с атмосферным давлением. С этой целью подмембранная полость бензонасоса 17 дополнительно уплотняется, а под мембрану подводится избыточное давление, превышающее давление в карбюраторе.

Базовый карбюратор 9 дорабатывается таким образом, чтобы он обеспечил работоспособность при избыточных давлениях воздуха и топлива по сравнению со штатным вариантом. С этой целью дополнительно уплотняются возможные места утечек: оси, фланцы, разъемы и т.д. Одновременно различные настройки системы турбонаддува обеспечиваются различными топливными и воздушными жиклерами, а также осуществляются варианты привода заслонки первой и второй камер карбюратора.

Таким образом, эжектирование топлива происходит в карбюраторе не за счет разрежения как в базовом варианте, а за счет разности давлений в диффузоре и поплавковой камере карбюратора.

Базовый поддон сконструирован таким образом, чтобы обеспечить слив масла из турбокомпрессора с минимальным сопротивлением. Имеются модификации, на которых слив масла осуществляется непосредственно в блок, который соответствующим образом дорабатывается.

Базовый распределитель 25 высокого напряжения дорабатывается таким образом, чтобы изменение угла опережения зажигания осуществлялось, как при разрежении, так и при избыточном давлении в карбюраторе. Таким образом обеспечивается уход от детонационного сгорания.

Магистраль подвода масла к турбокомпрессору обеспечивает работу подшипников скольжения турбокомпрессора и охлаждение деталей турбокомпрессоров за счет контакта с горячими деталями и дополнительного подогрева масла. Для обеспечения надежного запаса по давлению масла в главной масляной магистрали и избежания низких давлений, что отрицательно сказывается на работоспособности турбокомпрессора и двигателя с турбонаддувом, дорабатывается масляный насос базового двигателя, за счет чего обеспечивается стабильная подача масла на всех режимах работы.

Корпус воздушного фильтра 3 сконструирован таким образом, чтобы при сохранении унификации с базовым образцом он обеспечивал забор воздуха, прохождение через фильтр (с очисткой) и затем на вход в компрессор, при этом имеется соответствующий отводной патрубок, и из компрессора через зону корпуса фильтра с избыточным давлением в карбюратор и далее в двигатель. Все фланцы и соединения в корпусе воздушного фильтра выполнены с улучшенным уплотнением стыков.

Приемная труба выполнена на основе базовой приемной трубы с измененной входной частью, которая соединяется с выходным фланцем турбины турбокомпрессора.

Выполненный на базе двигателя автомобиля ВАЗ 2106 по предлагаемому изобретению двигатель с турбонаддувом прошел стендовые и эксплуатационные испытания. Результаты испытаний показали, что обеспечиваются как высокие эффективные показатели двигателя на стенде фиг. 2, так и улучшение динамических, экологических и других показателей автомобиля.