PL207091B1

PL207091B1 - Supercharging system for high-speed combustion engines

Info

Publication number: PL207091B1
Application number: PL382409A
Authority: PL
Inventors: Kazimierz Wieniawski
Original assignee: Kazimierz Wieniawski
Priority date: 2007-05-14
Filing date: 2007-05-14
Publication date: 2010-11-30
Also published as: PL382409A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Wynalazek dotyczy sposobu doładowania silników spalinowych dwu i czterosuwowych z zapłonem iskrowym i samoczynnym stosowanych zwłaszcza do napędów.The invention relates to a method of supercharging spark-ignition and compression-ignition two-stroke and four-stroke internal combustion engines used in particular for drives.

Znane sposoby doładowania tych silników to jest za pomocą turbosprężarek lub sprężarek wyporowych napędzanych mechanicznie posiadają tę zasadniczą wadę, że są dość kosztowne, mają ograniczone możliwości regulacji parametrów ich pracy, oraz w przypadku stosowania turbosprężarek do małych silników z zapłonem iskrowym ze względu na małą ilość czynnika (spalin) oraz wysoką jego temperaturę, która powoduje zjawisko pełzania metalu na łopatkach turbiny przy wysokich obrotach dochodzących do 270 tys. obr./min.Known methods of supercharging these engines, i.e. with the use of mechanically driven turbochargers or displacement compressors, have the fundamental disadvantage that they are quite expensive, have limited possibilities of adjusting their operating parameters, and in the case of using turbochargers for small spark ignition engines due to the small amount of the refrigerant (exhaust gas) and its high temperature, which causes the phenomenon of metal creep on the turbine blades at high revolutions up to 270 thousand. rpm

Turbosprężarka posiada też tę zasadniczą wadę, że dostosowuje się do zmiennych warunków pracy silnika z pewnym opóźnieniem wynoszącym około kilka sekund, co pogarsza dynamikę pojazdu, oraz dławi swobodny wylot spalin, co powoduje powstawanie pozostałości spalin w świeżym ładunku z poprzedniego obiegu, oraz zwię ksza ujemne pole pracy na wykresie obiegu termodynamicznego, zmniejszając w ten sposób sprawność obiegu, a tym samym korzyści płynące z efektu turbodoładowania.The turbocharger also has the fundamental disadvantage that it adapts to changing engine operating conditions with a certain delay of about a few seconds, which worsens the dynamics of the vehicle, and throttles the free exhaust gas outlet, which results in the formation of exhaust gas residues in the fresh load from the previous cycle, and increases the negative the field of work in the thermodynamic cycle diagram, thus reducing the efficiency of the cycle and thus the benefits of the turbo-charging effect.

Również doładowanie przy użyciu sprężarki systemu Comprex posiada najistotniejszą wadę, którą są trudności związane z wymaganiami technologicznymi, gdyż pomimo chłodzącego działania powietrza przepływającego przez kanały wirnika występują znaczne różnice temperatury pomiędzy jego częściami, a powstające w efekcie nierównomiernego nagrzewania zmiany długości, wymagają stosowania zwiększonych luzów osiowych między wirnikiem i obudową, co zwiększa straty wentylacyjne i obniża sprawność sprężarki.The supercharging with the Comprex system compressor also has the most significant disadvantage, which are the difficulties related to the technological requirements, because despite the cooling effect of the air flowing through the rotor channels, there are significant temperature differences between its parts, and the changes in length resulting from uneven heating require the use of increased axial clearances. between the rotor and the casing, which increases ventilation losses and reduces the efficiency of the compressor.

Występują również trudności w dostosowaniu sprężarki Comprex do silników z zapłonem iskrowym.There are also difficulties in adapting the Comprex compressor to spark ignition engines.

A takż e obecnie coraz powszechniejsze sposoby zwię kszania mocy silników spalinowych przy pomocy stosowania czterech zaworów na jeden cylinder silnika powodują duże koszty w produkcji.Also, nowadays, more and more common methods of increasing the power of internal combustion engines by using four valves per one cylinder of the engine result in high production costs.

Przedmiotem wynalazku jest opracowanie systemu doładowania elektromechanicznego pozbawionego tych wad.The object of the invention is to provide an electromechanical boost system devoid of these drawbacks.

System doładowania szybkoobrotowych silników spalinowych charakteryzuje się tym, że układ doładowania posiada dodatkową prądnicę-generator napędzaną od wału silnika spalinowego za pośrednictwem specjalnej bezstopniowej przekładni z paskiem klinowym, której przełożenie regulowane jest w zależności od wielkości obciążenia i obrotów silnika spalinowego i przekazującej odpowiednie obroty silnikowi elektrycznemu korzystnie prądu stałego skojarzonemu z prądnicą-generatorem oraz sprężarką. Napięcie znamionowe zasilania na jakie jest zbudowana dodatkowa prądnica-generator i silnik elektryczny nap ędowy sprężarki jest wyższe niż napięcie znamionowe typowej konwencjonalnej instalacji elektrycznej pojazdu dostosowanego do tego systemu doładowania.The supercharging system of high-speed combustion engines is characterized by the fact that the supercharging system has an additional generator-generator driven from the shaft of the combustion engine through a special continuously variable V-belt transmission, the ratio of which is regulated depending on the load and RPM of the combustion engine and transmitting the appropriate revolutions to the electric engine preferably direct current associated with the generator-generator and compressor. The rated voltage of the supply for which the additional generator-generator and the electric motor driving the compressor are built is higher than the rated voltage of the typical conventional electrical installation of the vehicle adapted to this supercharging system.

Całość układu jest pokazana schematycznie na rysunku.The entire system is shown schematically in the figure.

Układ doładowania składa się z silnika spalinowego 1, przekładni bezstopniowej 3 z paskiem klinowym, prądnicy-generatora 2, sprężarki 5 promieniowej przepływowej stanowiącej wraz z napędzającym ją silnikiem elektrycznym 6 jedną zwartą całość jako układ doładowujący oraz posiada mikroprocesor 7, potencjometr 8 i wyłączniki 9, 10 akumulatora oraz regulator podciśnieniowy 4 i stycznik 11.The supercharging system consists of an internal combustion engine 1, a continuously variable transmission 3 with a V-belt, a generator-generator 2, a radial flow compressor 5, which together with the electric motor 6 driving it is one compact unit as a recharging system and has a microprocessor 7, potentiometer 8 and switches 9, 10 of the battery and a vacuum regulator 4 and a contactor 11.

Działanie układu jest następujące:The operation of the system is as follows:

Podczas pracy silnika spalinowego 1 na biegu jałowym układ elektryczny jest wyłączony wyłącznikiem 9 głównym akumulatora, który jest sterowany przepustnicą gaźnika albo gardzieli ssącej, lub pośrednio pedałem przyśpieszenia jak również wyłącznik 10 sterowany z kokpitu pojazdu jest wyłączony i doładowanie jest wyłączone.When the internal combustion engine 1 is idling, the electrical system is turned off by the main battery switch 9, which is controlled by the carburetor throttle or the suction throttle, or indirectly by the accelerator pedal, as well as the cockpit-controlled switch 10 is turned off and the recharging is turned off.

Z chwilą naciśnięcia na pedał przyśpieszenia wyłącznik 9 główny zostaje zwarty i jednocześnie przekładnia bezstopniowa 3 poprzez układ dźwigni i cięgien zostaje włączona do pracy (zostają sprzęgnięte dwie połówki kółek pasowych powodując napędzanie dodatkowej prądnicy-generatora 2, która zaczyna wytwarzać napięcie zasilające silnik elektryczny 6 sprężarki 5 przepływowej promieniowej poprzez stycznik 11 i mikroprocesor 7.As soon as the accelerator pedal is pressed, the main switch 9 is closed and, at the same time, the continuously variable transmission 3, through the system of levers and cables, is put into operation (two halves of pulleys are coupled, causing an additional generator-generator 2, which starts to generate the voltage supplying the electric motor 6 of the compressor 5 radial flow through contactor 11 and microprocessor 7.

Dodatkowy wyłącznik 10 i potencjometr elektroniczny 8 służą do ręcznego włączania lub wyłączania z kokpitu pojazdu sprężarki 5 oraz sterowania bezpośrednio stopniem doładowania silnika w zależności od potrzeb i warunków drogowych. Przekładnia bezstopniowa 3 jest wyłącznym napędem prądnicy-generatora 2 i jej przełożenie płynnie steruje regulator podciśnieniowy 4 sterowany pePL 207 091 B1 dałem przyśpieszenia, którego pozycja pośrednio stanowi o obciążeniu i obrotach silnika elektrycznego 6 sprężarki 5 promieniowej przepływowej.An additional switch 10 and an electronic potentiometer 8 are used to manually turn on or off the compressor 5 from the cockpit of the vehicle and directly control the engine boost level depending on the needs and road conditions. The continuously variable transmission 3 is the sole drive of the generator-generator 2 and its ratio is smoothly controlled by the vacuum regulator 4 controlled by the acceleration, the position of which indirectly determines the load and speed of the electric motor 6 of the radial flow compressor.

Zadaniem mikroprocesora 7 jest sterowanie całością pracy układu doładowującego, który poprzez impulsy pochodzące od poszczególnych czujników dba o prawidłową pracę silnika spalinowego 1, a zwłaszcza niedopuszczenie do spalania stukowego i jak najekonomiczniejszą jego pracę. Przez zdjęcie nogi z pedału przyśpieszenia sprężarka 5 zostaje wyłączona wyłącznikiem 9 akumulatora i jednocześnie z chwilą wyłączenia wyłącznika 10 dodatkowego przekładnia bezstopniowa 3 powoduje rozłączenie napędu prądnicy-generatora 2, aby przy wyłączonym doładowaniu nie pobierała energii z silnika spalinowego pojazdu przyczyniając się tym samym do oszczędności paliwa.The task of the microprocessor 7 is to control the entire operation of the supercharging system, which, through impulses coming from individual sensors, ensures the proper operation of the internal combustion engine 1, in particular preventing knocking combustion and its most economical operation. By removing the leg from the accelerator pedal, the compressor 5 is turned off by the battery switch 9 and, simultaneously, when the additional switch 10 is turned off, the variable transmission 3 disengages the drive of the generator-generator 2, so that when the boost is turned off, it does not take energy from the vehicle's internal combustion engine, thus contributing to fuel economy .

Podstawowymi zaletami systemu doładowania przedstawionego według wynalazku są: niski koszt produkcji, mniejszy niż koszt turbosprężarki, lub sprężarki napędzanej mechanicznie, szybkie reagowanie na zmiany obciążenia silnika spalinowego, niższy pobór mocy na napęd sprężarki niż przy doładowaniu mechanicznym (wynoszący ok. 2,5% - 3% mocy silnika), możliwość stosowania w silnikach o małych pojemnościach skokowych.The main advantages of the supercharging system according to the invention are: low production cost, lower than the cost of a turbocharger or a mechanically driven compressor, quick response to changes in the internal combustion engine load, lower power consumption for the compressor drive than with mechanical supercharging (approx. 2.5% - 3% of engine power), can be used in engines with small displacement.

Nadaje się szczególnie do silników z zapłonem iskrowym, gdzie stosowanie turbosprężarek jest ograniczone ze względu na dużą temperaturę spalin co powiększa koszty materiałowe. Poza tym system charakteryzuje się możliwością stosowania kilku sposobów regulacji wydajności sprężarki doładowującej: Regulacja obrotów prądnicy-generatora 2 zasilającej sprężarkę 5 przy pomocy przekładni pasowej bezstopniowej 3 w zależności od wielkości nacisku na pedał przyśpieszenia, a więc obciążenia silnika i jego obrotów.It is especially suitable for spark ignition engines, where the use of turbochargers is limited due to the high temperature of the exhaust gases, which increases material costs. In addition, the system is characterized by the possibility of using several methods of regulating the efficiency of the supercharger compressor: Speed control of the generator-generator 2 supplying the compressor 5 by means of a continuously variable belt transmission 3 depending on the pressure on the accelerator pedal, i.e. the engine load and its revolutions.

Możliwość płynnej regulacji obrotów sprężarki 5 a więc stopnia doładowania przy pomocy potencjometru elektronicznego 8 sterowanego ręcznie z kokpitu pojazdu w zależności od potrzeb.The possibility of smooth regulation of the speed of the compressor 5, i.e. the boost level, by means of an electronic potentiometer 8 controlled manually from the cockpit of the vehicle, depending on the needs.

Możliwość włączania i wyłączania doładowania w czasie jazdy (silnik wolnossący lub doładowany).Possibility to activate and deactivate the boost while driving (naturally aspirated or supercharged engine).

Możliwością płynnej regulacji przez mikroprocesor.Possibility of smooth regulation by microprocessor.

Poza tym system doładowania charakteryzuje się prawie wszystkimi zaletami doładowania turbosprężarką i doładowania mechanicznego, ponieważ łączy te systemy charakterystyką ich pracy i budowy poprzez połączenie obu ich zalet, gdyż ich obroty są niezależne od siebie i następują bardzo szybko.In addition, the supercharging system has almost all the advantages of turbocharger and mechanical supercharging, because it combines these systems with the characteristics of their work and construction by combining both their advantages, because their rotation is independent and takes place very quickly.

Claims

Patent claims

1. A supercharging system for high-speed internal combustion engines with a low-voltage part equipped with a standard power supply system with a battery and generator or alternator, and a high-voltage part equipped with a second power source, a generator and an electric motor driving the supercharger control elements, such as a vacuum regulator, a microprocessor and potentiometer controlled flow compressor electronic, characterized by the fact that the system has an additional generator-generator (2) driven from the shaft of the combustion engine (1) through a special continuously variable transmission (3) with a V-belt, the ratio of which is regulated depending on the load and RPM of the combustion engine (1) ), which gives appropriate rotation to the electric motor (6), preferably in series direct current associated with the generator-generator (2) and with the compressor.

2. The boost system according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that the rated voltage of the supply for which the auxiliary generator-generator (2) and the electric motor (6) are built is preferably significantly higher than the rated voltage of a typical conventional electrical installation of a vehicle adapted to this supercharging system.