RU2820574C1 - Turbocompressor with kinematic connection of rotor with ice crankshaft - Google Patents

Abstract

FIELD: engine building.

SUBSTANCE: turbocompressor (TCR) has rotor (3) kinematically connected to crankshaft (1) of internal combustion engine (ICE) through accelerating reduction gear, which drive gear (9) is rigidly connected to ICE crankshaft (1), and driven gear (10) is rigidly fixed on secondary shaft (20) of two-stage hydromechanical transmission (HMT), which in its turn is connected to drive cermet discs of friction clutch (19). Friction clutch housing (15) is connected to primary shaft (6) connected to hydraulic transformer (HTR) (8). Drive gear (17) of the second accelerating reduction gear is fixed on output shaft (16) of the HTR, driven gear (18) of this reduction gear is fixed on the shaft of rotor (3) of the TCR. On secondary shaft (20) of the HMT, the drive half-coupling of overrunning clutch (11) is also fixed, and the driven half-coupling of overrunning clutch (11) is fixed on gear (12) of intermediate shaft (13). Drive gear (14) of countershaft (13) transmits rotation to driven gear (5) connected to friction clutch housing (15) connected to primary shaft (6) of HMT. HMT is controlled by means of electronic control unit.

EFFECT: ensuring the efficiency of the ICE turbocompressor in various ICE operating modes and increasing the efficiency of the ICE.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к устройствам для воздухоподачи двигателя внутреннего сгорания (ДВС), оснащённым системой газотурбинного наддува.The invention relates to the field of engine building, in particular to devices for air supply to an internal combustion engine (ICE) equipped with a gas turbine supercharging system.

Известно устройство «Турбокомпрессор» (патент РФ № 2202052, МПК F04D 25/04 (2000.01), F02B 37/00 (2000.01), 10.04.2003, бюл. № 10), содержащее рабочие колеса турбины и компрессора, размещенные по двухконсольной схеме с расположением подшипников между ними, корпус подшипников снабжён уплотнительными кольцами. В кольцах имеются радиальные каналы.The “Turbocompressor” device is known (RF patent No. 2202052, IPC F04D 25/04 (2000.01), F02B 37/00 (2000.01), 04/10/2003, Bulletin No. 10), containing turbine and compressor impellers arranged in a two-console design with arrangement of bearings between them, the bearing housing is equipped with sealing rings. The rings have radial channels.

Недостатком данного устройства является инерционность, в результате которой появляется «турбояма», снижающая мощность двигателя при пуске, разгоне. The disadvantage of this device is inertia, as a result of which a “turbo lag” appears, reducing engine power during start-up and acceleration.

Наиболее близким является изобретение «Устройство для наддува двигателя внутреннего сгорания» (авторское свидетельство СССР №1502864, МПК F02B 37/00 (2000.01), F02B 39/12 (2000.01), опубл. 23.08.1989), содержащее воздушный компрессор и газовую турбину, шестерёнчатую передачу для соединения ведущего вала с коленчатым валом ДВС муфтой соединения ведущего вала с валом турбины и отключаемой фрикционной муфтой.The closest is the invention “Device for supercharging an internal combustion engine” (USSR author’s certificate No. 1502864, IPC F02B 37/00 (2000.01), F02B 39/12 (2000.01), published 08/23/1989), containing an air compressor and a gas turbine, a gear transmission for connecting the drive shaft to the crankshaft of the internal combustion engine, a coupling connecting the drive shaft to the turbine shaft and a disengaged friction clutch.

Недостатками данного устройства являются высокая конструктивная сложность и металлоёмкость, высокая стоимость изготовления, применение которого снижает надёжность системы при работе в Российских климатических условиях. В условиях стохастичности нагрузок, например при работе трактора на вспашке, при резком увеличении нагрузки обороты коленчатого вала ДВС падают, машинист трактора нажимает на педаль управления топливным насосом высокого давления (ТНВД), подавая дополнительное количество топлива в цилиндры ДВС, оснащённого газотурбинным наддувом, стараясь повысить обороты коленчатого вала ДВС, из выхлопной трубы вырывается чёрный дым, но увеличение оборотов ДВС оказывается незначительным, т.к. турбокомпрессор, обладая инерционностью, не может мгновенно раскрутиться и подать большее количества воздуха для сгорания дополнительного топлива, поданного в цилиндры ДВС в результате нажатия на педаль управления ТНВД. Это явление называется «турбоямой», т.е. задержкой увеличения подачи воздуха компрессором турбокомпрессора, к тому же турбокомпрессор на малых частотах вращения коленчатого вала ДВС неэффективен, т.к. количество газов, проходящих через турбину ТКР невелико. Существует понятие «порог включения турбокомпрессора», т.е. начало его эффективной работы. Поэтому при работе на малых частотах вращения коленчатого вала более эффективными являются приводные компрессоры, которые тоже не лишены недостатков, они отличаются более низким КПД и более высоким расходом топлива по сравнению с газотурбинным наддувом. Однако, при стохастичности нагрузок, в частности при резком увеличении нагрузки, обороты коленчатого вала снижаются, снижая частоту вращения жестко связанного с ним приводного нагнетателя и, следовательно, снижая подачу воздуха в цилиндры ДВС. Последствия этого явления приводят к неполному сгоранию топлива в цилиндрах ДВС, выбросу в атмосферу канцерогенов, перегрева ДВС и снижению производительности трактора, а также повышенному расходу топлива. С целью устранения недостатков системы газотурбинного и приводного наддувов применяют комбинированную систему наддува, т.е. систему, состоящую из приводного компрессора для эффективной работы ДВС на малых оборотах коленчатого вала и турбокомпрессора для эффективной работы ДВС на средних и высоких оборотах коленчатого вала. Однако, комбинированная система наддува в условиях стохастичности нагрузок также может оказаться малоэффективной.The disadvantages of this device are its high design complexity and metal consumption, high manufacturing cost, the use of which reduces the reliability of the system when operating in Russian climatic conditions. In conditions of stochastic loads, for example, when a tractor is plowing, with a sharp increase in load, the crankshaft speed of the internal combustion engine drops, the tractor driver presses the control pedal of the high-pressure fuel pump (HPF), supplying additional fuel to the cylinders of the internal combustion engine equipped with gas turbine supercharging, trying to increase crankshaft speed of the internal combustion engine, black smoke comes out of the exhaust pipe, but the increase in engine speed turns out to be insignificant, because The turbocharger, having inertia, cannot instantly spin up and supply more air for the combustion of additional fuel supplied to the internal combustion engine cylinders as a result of pressing the injection pump control pedal. This phenomenon is called “turbo lag”, i.e. delay in increasing the air supply to the turbocharger compressor; moreover, the turbocharger is ineffective at low engine speeds, because the amount of gases passing through the TKR turbine is small. There is a concept of “turbocharger activation threshold”, i.e. the beginning of its effective work. Therefore, when operating at low crankshaft speeds, drive compressors are more efficient, but they are also not without drawbacks; they are characterized by lower efficiency and higher fuel consumption compared to gas turbine supercharging. However, with stochastic loads, in particular with a sharp increase in load, the crankshaft speed decreases, reducing the rotation speed of the drive supercharger rigidly connected to it and, consequently, reducing the air supply to the internal combustion engine cylinders. The consequences of this phenomenon lead to incomplete combustion of fuel in the cylinders of the internal combustion engine, the release of carcinogens into the atmosphere, overheating of the internal combustion engine and a decrease in tractor performance, as well as increased fuel consumption. In order to eliminate the shortcomings of the gas turbine and drive supercharging systems, a combined supercharging system is used, i.e. a system consisting of a drive compressor for efficient operation of the internal combustion engine at low crankshaft speeds and a turbocharger for efficient operation of the internal combustion engine at medium and high crankshaft speeds. However, a combined pressurization system under conditions of stochastic loads may also turn out to be ineffective.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности наддува, снижении расхода топлива и выброса вредных веществ с выхлопным газами, снижении влияния стохастичности нагрузок на ДВС и вероятности перегрева ДВС, устранении "турбоямы" при разгоне ДВС и при работе в условиях стохастичности нагрузки, а также повышении КПД турбокомпрессора и ДВС за счёт использования избыточного давления выхлопных газов.The technical result of the claimed invention is to increase the efficiency of supercharging, reduce fuel consumption and emissions of harmful substances from exhaust gases, reduce the influence of stochastic loads on the internal combustion engine and the likelihood of overheating of the internal combustion engine, eliminate the "turbo lag" during acceleration of the internal combustion engine and when operating under stochastic load conditions, as well as increase Efficiency of a turbocharger and internal combustion engine due to the use of excess exhaust gas pressure.

Указанный технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что турбокомпрессор с кинематической связью ротора с коленчатым валом ДВС, имеющий ротор, кинематически связанный с коленчатым валом ДВС через ускоряющий редуктор, ведущая шестерня которого жёстко связана с коленчатым валом ДВС, согласно заявленному изобретению ведомая шестерня ускоряющего редуктора жёстко закреплена на вторичном валу двухступенчатой гидромеханической передачи (ГМП), который в свою очередь соединён с помощью внутренних шлицов с ведущими металлокерамическими дисками фрикциона, корпус фрикциона в свою очередь с помощью ведомых стальных дисков с наружными шлицами соединён с первичным валом, связанным с гидротрансформатором (ГТР), на выходном валу ГТР жёстко закреплена ведущая шестерня второго ускоряющего редуктора, а ведомая шестерня второго ускоряющего редуктора жёстко закреплена на валу ротора турбокомпрессора, также на вторичном валу ГМП жёстко закреплена ведущая полумуфта обгонной муфты, а ведомая полумуфта обгонной муфты жестко закреплена на шестерне промежуточного вала, ведущая шестерня промежуточного вала в свою очередь передаёт вращение на ведомую шестерню корпуса фрикциона, которая связана с ведущими керамическими дисками фрикциона, а ведомые стальные диски фрикциона наружными шлицами связаны с корпусом фрикциона, а корпус фрикциона жестко связан с первичным валом ГМП, первичный вал в свою очередь связан с турбинным колесом ГТР, а насосное колесо ГТР связано с выходным валом, на котором жёстко закреплена ведущая шестерня второго ускоряющего редуктора, при этом управление ГМП осуществляется с помощью электронного блока управления (ЭБУ). Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема турбокомпрессора с кинематической связью ротора с коленчатым валом ДВС.The specified technical result of the claimed invention is achieved by the fact that a turbocharger with a kinematic connection of the rotor with the crankshaft of the internal combustion engine, having a rotor kinematically connected to the crankshaft of the internal combustion engine through an accelerating gearbox, the drive gear of which is rigidly connected to the crankshaft of the internal combustion engine, according to the claimed invention , the driven gear of the accelerating reducer is rigidly connected secured to the secondary shaft of a two-stage hydromechanical transmission (HMT), which in turn is connected via internal splines to the driving metal-ceramic friction discs; the clutch housing, in turn, is connected via driven steel discs with external splines to the input shaft connected to the torque converter (GTR) , the drive gear of the second accelerating gearbox is rigidly fixed to the output shaft of the GTR, and the driven gear of the second accelerating gearbox is rigidly fixed to the rotor shaft of the turbocharger, also the driving half of the overrunning clutch is rigidly fixed to the secondary shaft of the GMT, and the driven half of the overrunning clutch is rigidly fixed to the intermediate shaft gear, the drive gear of the intermediate shaft, in turn, transmits rotation to the driven gear of the clutch housing, which is connected to the leading ceramic discs of the clutch, and the driven steel discs of the clutch are connected by external splines to the clutch housing, and the clutch housing is rigidly connected to the GMP input shaft, the input shaft in turn is connected to the GTR turbine wheel, and the GTR pump wheel is connected to the output shaft, on which the drive gear of the second accelerating gearbox is rigidly fixed, while the GTR is controlled using an electronic control unit (ECU). The present invention is illustrated by drawings, where in Fig. Figure 1 shows a diagram of a turbocharger with a kinematic connection between the rotor and the crankshaft of the internal combustion engine.

Турбокомпрессор с кинематической связью ротора с коленчатым валом ДВС для преодоления стохастичности нагрузок и повышения КПД ТКР и ДВС работает следующим образом. A turbocharger with a kinematic connection between the rotor and the crankshaft of the internal combustion engine operates as follows to overcome stochastic loads and increase the efficiency of the TCR and internal combustion engine.

При малых оборотах коленчатого вала 1 ДВС эффективность турбокомпрессора 2 мала, необходимый наддув воздуха обеспечивается за счёт того, что привод вала ротора 3 ТКР 2 осуществляется от коленчатого вала 1 ДВС, при этом по команде ЭБУ срабатывает фрикцион 4, блокирующий колесо 5 с первичным валом 6, и фрикцион 7, блокирующий ГТР 8 через ведущую шестерню ускоряющего редуктора 9, связанного жёстко с коленчатым валом 1 ДВС на ведомую шестерню ускоряющего редуктора 10 и через замкнутую обгонную муфту 11. Крутящий момент передаётся на ведущую шестерню промежуточного вала 12 жестко закрепленного на промежуточном валу 13 ГМП, с него на ведомую шестерню промежуточного вала 14, затем на ведомую шестерню 5 корпуса фрикционов и через замкнутый фрикцион 4 передаётся на корпус фрикциона 15, затем на первичный вал 6 ГМП и с него на ГТР 8, на выходной вал 16 ГТР 8, затем на ведущую шестерню 17 второго ускоряющего редуктора, затем на ведомую шестерню 18 этого редуктора и на вал ротора 3 ТКР 2, вызывая разгон последнего, а соответственно, и повышение подачи воздуха компрессором турбокомпрессора, что в свою очередь позволяет избежать явления «турбоямы» и увеличить обороты коленчатого вала 1 ДВС. При достижении ДВС достаточных для нормальной работы турбокомпрессора 2 оборотов коленчатого вала 1, когда образуется достаточное для нормальной работы ТКР 2 количество отработавших газов, происходит преодоление порога наддува, по команде ЭБУ фрикцион 4 разблокируется, вследствие чего также разблокируется фрикцион 7, и блокируется фрикцион 19, т.е. включается прямая передача, крутящий момент передаётся от коленчатого вала 1 ДВС на ведущую шестерню 9 ускоряющего редуктора, на ведомую шестерню этого редуктора 10, жёстко посаженного на вторичный вал 20 ГМП, и через заблокированный фрикцион 19 и корпус фрикционов 15 крутящий момент поступает на первичный вал 6 ГМП, затем на ГТР 8, обеспечивающий демпфирование крутильных колебаний коленчатого вала 1 ДВС и уменьшение их влияния на вал ротора 3 ТКР 2, на выходной вал 16 ГТР 8 и через второй ускорительный редуктор на вал ротора 3 ТКР 2. Когда ДВС выходит на максимальные обороты, фрикцион 7 блокируется и избыточный крутящий момент, возникающий на валу ротора 3 ТКР 2, передается в обратном направлении, т.е. на коленчатый вал 1ДВС, повышая его КПД, при этом исключается передув воздуха компрессором турбокомпрессора 2. При возникновении перегрузки, обороты коленчатого вала 1 ДВС и, соответственно, ротора 3 турбокомпрессора 2 падают, по команде ЭБУ блокируются фрикционы 7 и 4 и крутящий момент на вал ротора 3 ТКР 2 вновь поступает от коленчатого вала 1 ДВС, повышая обороты вала ротора 3 ТКР 2 и, соответственно, напор воздуха компрессором турбокомпрессора, что в совокупности с дополнительным количеством топлива, подаваемым корректором топливного насоса высокого давления ДВС, позволяет развить дополнительную мощность, исключает возникновение явления «турбоямы» и позволяет преодолеть перегрузку без переключения передачи в трансмиссии автомобиля.At low speeds of the crankshaft 1 of the internal combustion engine, the efficiency of the turbocharger 2 is low, the necessary air pressure is ensured due to the fact that the drive of the rotor shaft 3 of the TKR 2 is carried out from the crankshaft 1 of the internal combustion engine, while at the command of the computer, clutch 4 is activated, locking wheel 5 with the input shaft 6 , and clutch 7, which blocks the GTR 8 through the drive gear of the accelerating gearbox 9, which is rigidly connected to the crankshaft 1 of the internal combustion engine, to the driven gear of the accelerating gearbox 10 and through a closed overrunning clutch 11. Torque is transmitted to the drive gear of the intermediate shaft 12, rigidly mounted on the intermediate shaft 13 GMP, from it to the driven gear of the intermediate shaft 14, then to the driven gear 5 of the clutch housing and through the closed clutch 4 it is transmitted to the clutch housing 15, then to the input shaft 6 of the GMP and from it to GTR 8, to the output shaft 16 GTR 8, then to the drive gear 17 of the second accelerating gearbox, then to the driven gear 18 of this gearbox and to the rotor shaft 3 of the TKR 2, causing acceleration of the latter, and accordingly, an increase in the air supply to the turbocharger compressor, which in turn allows you to avoid the phenomenon of “turbo lag” and increase the speed crankshaft 1 internal combustion engine. When the internal combustion engine reaches crankshaft 1 revolutions sufficient for the normal operation of the turbocharger 2, when a sufficient amount of exhaust gases is generated for the normal operation of the turbocharger 2, the boost threshold is overcome, at the command of the ECU, clutch 4 is unlocked, as a result of which clutch 7 is also unlocked, and clutch 19 is blocked, those. Direct transmission is switched on, torque is transmitted from the crankshaft 1 of the internal combustion engine to the drive gear 9 of the accelerating gearbox, to the driven gear of this gearbox 10, rigidly mounted on the secondary shaft 20 of the GMP, and through the blocked clutch 19 and the clutch housing 15, the torque is supplied to the primary shaft 6 GMP, then on GTR 8, which provides damping of torsional vibrations of the crankshaft 1 of the internal combustion engine and reducing their influence on the rotor shaft 3 of TKR 2, on the output shaft 16 of GTR 8 and through the second accelerator gearbox on the rotor shaft 3 of TKR 2. When the internal combustion engine reaches maximum speed , clutch 7 is blocked and excess torque arising on the shaft of rotor 3 of TKR 2 is transmitted in the opposite direction, i.e. on the crankshaft of ICE 1, increasing its efficiency, while overblowing air by the compressor of turbocharger 2 is eliminated. If an overload occurs, the speed of the crankshaft 1 of the ICE and, accordingly, the rotor 3 of turbocharger 2 drops, at the command of the ECU, clutches 7 and 4 and the torque on the shaft are blocked rotor 3 of TKR 2 again comes from the crankshaft 1 of the internal combustion engine, increasing the speed of the shaft of rotor 3 of TKR 2 and, accordingly, the air pressure of the turbocharger compressor, which, together with the additional amount of fuel supplied by the corrector of the high-pressure fuel pump of the internal combustion engine, allows for the development of additional power, eliminates the occurrence of the “turbo lag” phenomenon and makes it possible to overcome overload without changing gears in the vehicle’s transmission.

Получив дополнительную порцию воздуха, ДВС мгновенно раскручивается, увеличивает обороты коленчатого вала и преодолевает возникшее сопротивление на коленчатом валу, а соответственно, и на маховике ДВС в результате стохастичности. Газы, образовавшиеся в результате сгорания дополнительного воздуха и топлива, раскручивают турбину турбокомпрессора и связанное с ним рабочее колесо компрессора, что приводит к увеличению его производительности. Обороты коленчатого вала 1 возрастают, происходит преодоление порога наддува и, соответственно, наддув воздуха в ДВС производится только за счёт энергии выхлопных газов. Двигатель развивает штатные обороты. Таким образом преодолевается стохастичность нагрузок, возникающая на маховике ДВС. Having received an additional portion of air, the internal combustion engine instantly spins up, increases the crankshaft speed and overcomes the resistance that has arisen on the crankshaft, and, accordingly, on the internal combustion engine flywheel as a result of stochasticity. The gases produced by the combustion of additional air and fuel spin the turbocharger turbine and associated compressor impeller, resulting in increased compressor performance. The revolutions of crankshaft 1 increase, the boost threshold is overcome and, accordingly, the air in the internal combustion engine is pressurized only due to the energy of the exhaust gases. The engine develops normal speed. In this way, the stochasticity of loads that occurs on the flywheel of the internal combustion engine is overcome.

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить производительность автомобиля, снизить расход топлива и выброс вредных веществ с выхлопными газами, снизить влияние стохастичности нагрузок на ДВС, а также снизить вероятность перегрева ДВС, исключить явление «турбоямы» ТКР и повысить КПД ДВС за счёт использования избыточного давления выхлопных газов, передающих энергию через вал ротора ТКР по кинематической цепочке на коленчатый вал ДВС, при этом исключая передув воздуха компрессором ТКР.The use of the proposed device makes it possible to increase vehicle performance, reduce fuel consumption and the emission of harmful substances from exhaust gases, reduce the influence of stochastic loads on the internal combustion engine, as well as reduce the likelihood of internal combustion engine overheating, eliminate the phenomenon of “turbo lag” of the TKR and increase the efficiency of the internal combustion engine through the use of excess exhaust gas pressure , transmitting energy through the TKR rotor shaft along a kinematic chain to the crankshaft of the internal combustion engine, while excluding the blowing of air by the TKR compressor.

Claims (1)

Турбокомпрессор с кинематической связью ротора с коленчатым валом ДВС, имеющий ротор, кинематически связанный с коленчатым валом ДВС через ускоряющий редуктор, ведущая шестерня которого жёстко связана с коленчатым валом ДВС, отличающийся тем, что ведомая шестерня ускоряющего редуктора жёстко закреплена на вторичном валу двухступенчатой гидромеханической передачи (ГМП), который в свою очередь соединён с помощью внутренних шлицов с ведущими металлокерамическими дисками фрикциона, корпус фрикциона в свою очередь с помощью ведомых стальных дисков с наружными шлицами соединён с первичным валом, связанным с гидротрансформатором (ГТР), на выходном валу ГТР жёстко закреплена ведущая шестерня второго ускоряющего редуктора, а ведомая шестерня второго ускоряющего редуктора жёстко закреплена на валу ротора турбокомпрессора, также на вторичном валу ГМП жёстко закреплена ведущая полумуфта обгонной муфты, а ведомая полумуфта обгонной муфты жестко закреплена на шестерне промежуточного вала, ведущая шестерня промежуточного вала в свою очередь передаёт вращение на ведомую шестерню корпуса фрикциона, которая связана с ведущими керамическими дисками фрикциона, а ведомые стальные диски фрикциона наружными шлицами связаны с корпусом фрикциона, а корпус фрикциона жестко связан с первичным валом ГМП, первичный вал в свою очередь связан с турбинным колесом ГТР, а насосное колесо ГТР связано с выходным валом, на котором жёстко закреплена ведущая шестерня второго ускоряющего редуктора, при этом управление ГМП осуществляется с помощью электронного блока управления (ЭБУ).A turbocharger with a kinematic connection between the rotor and the crankshaft of the internal combustion engine, having a rotor kinematically connected to the crankshaft of the internal combustion engine through an accelerating gearbox, the drive gear of which is rigidly connected to the crankshaft of the internal combustion engine, characterized in that the driven gear of the accelerating reducer is rigidly mounted on the secondary shaft of a two-stage hydromechanical transmission ( GMP), which in turn is connected by means of internal splines to the driving metal-ceramic clutch discs, the clutch body, in turn, by means of driven steel discs with external splines, is connected to the input shaft connected to the torque converter (GTR), the leading one is rigidly fixed to the output shaft of the GTR. the gear of the second accelerating gearbox, and the driven gear of the second accelerating gearbox is rigidly fixed to the rotor shaft of the turbocharger, and the driving half of the overrunning clutch is rigidly fixed to the secondary shaft of the GMP, and the driven half of the overrunning clutch is rigidly fixed to the gear of the intermediate shaft, the driving gear of the intermediate shaft in turn transmits rotation on the driven gear of the clutch housing, which is connected to the driving ceramic disks of the clutch, and the driven steel clutch disks are connected to the clutch housing by external splines, and the clutch housing is rigidly connected to the GMP input shaft, the input shaft in turn is connected to the GTR turbine wheel, and the pump The GTR wheel is connected to the output shaft, on which the drive gear of the second accelerating gearbox is rigidly fixed, while the GTR is controlled using an electronic control unit (ECU).