RU2667205C1

RU2667205C1 - Engine with controlled turbocharger system

Info

Publication number: RU2667205C1
Application number: RU2017113204A
Authority: RU
Inventors: Валерий Александрович Рыжов
Original assignee: Открытое акционерное общество холдинговая компания "Коломенский завод"
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2018-09-17

Abstract

FIELD: engine building.SUBSTANCE: invention can be used in systems of supercharging of diesel engines. Ship engine (1) is equipped with a controlled turbocharging system with a change in the position of the blades of a guiding nozzle device of the turbine. Engine (1) contains turbochargers (2), (3), air supply systems, gas burners, fuel supply, electronic control system (10). Electronic control system (10) receives information about torque on motor shaft (1), frequency of rotation of crankshaft and turbocharger rotors (2), (3), exhaust gas temperatures in front of the turbines, and actuators (8), (9), which change the position of the blades of the turbine nozzle device. Actuators (8), (9), which change the position of the blades of the turbine nozzle device, are at the same time sensors that display the actual angular position of the blades of the guide nozzles of turbine devices. Signal from actuators (8), (9) enters electronic control system (10) parallel to the signals from engine torque sensors (11)–(17), temperature of exhaust gases, rotational speeds of the crankshaft and rotors of turbochargers. Combination of these signals after processing in control electronic system (10) and comparison with their predetermined values in the form of a working mode matrix provides generation of control electrical signals to actuators (8), (9), realizing the necessary position of the blades of the turbine nozzle device, corresponding to the operating modes of the engine, ensuring the optimal coordination of the hydraulic characteristics of the diesel engine and the compressor part of the engine by changing the rotor speed of the turbochargers.EFFECT: technical result consists in coordination of the hydraulic characteristics of the diesel engine and the compressor part of the engine by changing the rotor speed of the turbochargers.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно к системам наддува дизелей.The invention relates to mechanical engineering, in particular engine manufacturing, and in particular to diesel pressurization systems.

Наиболее близким аналогом по отношению к заявленному изобретению является двигатель внутреннего сгорания с высокой ограничительной характеристикой и высокой скоростью приема нагрузки (патент Российской Федерации №2383756), в котором управление турбонаддувом осуществляется с помощью регистровой системы турбонаддува, состоящей из двух и более турбокомпрессоров, каждый из которых может отключаться либо подключаться дистанционной системой управления в зависимости от режима работы двигателя, а также с помощью дополнительно установленных камер сгорания, установленных перед турбокомпрессорами.The closest analogue to the claimed invention is an internal combustion engine with a high restrictive characteristic and high load-receiving speed (patent of the Russian Federation No. 2383756), in which the control of the turbocharger is carried out using a register turbocharger system, consisting of two or more turbochargers, each of which can be switched off or connected by a remote control system depending on the engine operating mode, as well as using additionally installed combustion chambers installed in front of turbochargers.

Недостатком такой системы является релейное изменение общего проходного сечения системы турбокомпрессоров, в результате чего при включении или отключении одной или нескольких турбин внешняя ограничительная характеристика двигателя имеет излом, как показано на фиг. 2.The disadvantage of such a system is a relay change in the total flow area of the turbocompressor system, as a result of which, when one or several turbines are turned on or off, the external restrictive characteristic of the engine has a kink, as shown in FIG. 2.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение мощности и экономичности двигателей, работающих в широком диапазоне частоты вращения и нагрузок с обеспечением ограничительной характеристики без излома. Указанный технический результат достигается за счет того, что на известный двигатель устанавливаются один или более турбокомпрессоров с управляемыми сопловыми направляющими аппаратами турбин, угловое положение лопаток которых обеспечивается исполнительными устройствами, приводимыми в действие с помощью управляющих сигналов от электронной управляющей системы на базе специализированного компьютера, программа которого содержит заданную матрицу режимов работы двигателя, в которую заложены оптимальные взаимосвязанные параметры частот вращения коленчатого вала, мощностей, температур отработавших газов, давлений наддувочного воздуха, частот вращения роторов турбокомпрессоров и угловых положений лопаток направляющих сопловых аппаратов турбин.The problem to which the claimed invention is directed, is to increase the power and efficiency of engines operating in a wide range of speed and loads with a limiting characteristic without kink. The specified technical result is achieved due to the fact that one or more turbocompressors with controlled nozzle guiding devices of turbines are installed on a known engine, the angular position of the blades of which is provided by actuators driven by control signals from an electronic control system based on a specialized computer, the program of which contains a given matrix of engine operating modes, in which the optimal interrelated hour parameters are embedded of crankshaft rotation, power, exhaust gas temperature, charge air pressure, Turbocharger rotors rotation frequencies and angular positions of the nozzle vanes of turbines.

На фиг. 1 показаны основные элементы двигателя. Двигатель (1) внутреннего сгорания V-образный, Содержит два турбокомпрессора (2) и (3), подвод газов к каждому осуществляется из выпускных коллекторов (4) и (5), расположенных с двух сторон двигателя (1). Воздух, нагнетаемый компрессорами турбокомпрессоров (2) и (3), проходя через общий охладитель наддувочного воздуха (7), поступает в общий воздушный ресивер (6) в цилиндры (19). Турбины турбокомпрессоров (2) и (3) оборудованы регулируемыми направляющими сопловыми аппаратами, которые управляются исполнительными устройствами (8) и (9), одновременно являющимися датчиками углового положения лопаток направляющего соплового аппарата турбин (2) и (3).In FIG. 1 shows the basic elements of an engine. The internal combustion engine (1) is V-shaped. It contains two turbochargers (2) and (3), the gases are supplied to each from the exhaust manifolds (4) and (5) located on both sides of the engine (1). The air pumped by the turbocharger compressors (2) and (3), passing through the common charge air cooler (7), enters the common air receiver (6) into the cylinders (19). Turbines of turbocompressors (2) and (3) are equipped with adjustable guide nozzle devices, which are controlled by actuators (8) and (9), which are simultaneously sensors of the angular position of the blades of the guide nozzle device of turbines (2) and (3).

Электронная управляющая система (10) выполнена в виде отдельного модуля.The electronic control system (10) is designed as a separate module.

На выходном валу установлен датчик крутящего момента (16).A torque sensor (16) is installed on the output shaft.

На выпускных коллекторах установлены датчики (11) и (12) температур отработавших газов, в воздушном ресивере установлен датчик (13) давления воздуха. Со стороны компрессорных частей турбокомпрессоров (2) и (3) установлены датчики (15) и (14) частоты вращения роторов турбокомпрессоров.The exhaust manifolds are equipped with sensors (11) and (12) of exhaust gas temperatures, an air pressure sensor (13) is installed in the air receiver. From the compressor parts of the turbocompressors (2) and (3), sensors (15) and (14) of the rotational speed of the turbocompressor rotors are installed.

Датчик (17) частоты вращения коленчатого вала двигателя (1) установлен на приводе регулятора (18).The engine speed sensor (17) of the crankshaft (1) is mounted on the drive of the regulator (18).

Двигатель работает следующим образом.The engine operates as follows.

В электронную управляющую систему установлена программа в виде матрицы рабочих режимов двигателя, задающая значения частот вращения двигателя в зависимости от крутящего момента на его выходном валу. Для каждого сочетания частоты вращения и крутящего момента заданы давления наддувочного воздуха, являющиеся функцией частоты вращения роторов турбокомпрессоров.A program is installed in the electronic control system in the form of a matrix of engine operating modes that sets the values of the engine speed depending on the torque on its output shaft. For each combination of rotational speed and torque, pressurized air pressures are specified, which are a function of the rotational speed of the turbocharger rotors.

Частота вращения роторов турбокомпрессоров является функцией температуры отработавших газов, массового расхода этих газов и проходного сечения направляющего соплового аппарата, которое в свою очередь определяется угловым положением лопаток направляющего соплового аппарата турбин.The rotational speed of the turbocompressor rotors is a function of the temperature of the exhaust gases, the mass flow rate of these gases and the bore of the guide nozzle apparatus, which in turn is determined by the angular position of the blades of the guide nozzle apparatus of the turbines.

Информация о состоянии двигателя как источника энергии поступает в электронную управляющую систему от исполнительных устройств (8) и (9), изменяющих положение лопаток сопловых аппаратов турбин, а также от датчиков (11), (12), (13), (14), (15), (16), (17). Заданная частота вращения коленчатого вала двигателя обеспечивается изменением цикловой подачи топлива, осуществляемым регулятором частоты вращения (18) под действием управляющего сигнала от электронной управляющей системы (10).Information about the state of the engine as an energy source enters the electronic control system from actuators (8) and (9) that change the position of the blades of the nozzle apparatus of the turbines, as well as from sensors (11), (12), (13), (14), (15), (16), (17). A predetermined engine speed is provided by a change in the cyclic fuel supply by the speed controller (18) under the action of a control signal from an electronic control system (10).

В зависимости от результатов сравнения параметров заданных в матрице режимов и реальных показателей, полученных от датчиков, электронная управляющая система с заданным темпом увеличивает или уменьшает сечения сопловых направляющих аппаратов турбин, обеспечивая оптимальное давление наддува. В случае выхода за заданные пределы параметров температур, частот вращения (при необходимости и других параметров) электронная управляющая система переводит работу двигателя на приемлемый режим.Depending on the results of comparing the parameters specified in the matrix of the modes and the real indicators obtained from the sensors, the electronic control system increases or decreases the cross sections of the nozzle guide vanes of the turbines at a given rate, providing optimal boost pressure. If the temperature parameters, rotational speeds (if necessary, other parameters) go beyond the specified limits, the electronic control system transfers the engine to an acceptable mode.

Предлагаемое техническое решение использовано на головном образце двигателя 12ЛДГ500 (12ЧН26, 5/31) Коломенского завода. Результаты испытаний подтвердили заявленный технический результат.The proposed technical solution was used on a prototype engine 12LDG500 (12CHN26, 5/31) of the Kolomensky Zavod. The test results confirmed the claimed technical result.

Claims

A marine engine with a controlled turbocharging system by changing the position of the blades of the guide nozzle apparatus of the turbine, consisting of a diesel engine, one or more turbochargers, air supply systems, gas exhaust, fuel supply, an electronic control system that receives information about the torque on the engine shaft, crankshaft rotational speeds and rotors of turbochargers, exhaust gas temperature in front of turbines, and actuators that change the position of the blades of nozzle apparatus turbines, characterized in that actuators that change the position of the blades of the nozzle devices of the turbines are simultaneously sensors that display the actual angular position of the blades of the guide nozzle devices of the turbines, the signal from which enters the electronic control system in parallel with the signals from the sensors of the engine torque, temperature of the exhaust gases, rotational speeds of the crankshaft and rotors of turbochargers, and the combination of these signals after processing in the control electronic systems and comparison with their predetermined values in the form of a matrix of operating modes provides the generation of control electrical signals to actuators that implement the required position of the blades of the nozzle apparatus of the turbines, corresponding to the operating modes of the engine, ensuring optimal coordination of the hydraulic characteristics of the diesel engine and the compressor part of the engine by changing the rotor speed turbochargers.