СИСТЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ, В ЧАСТНОСТИ ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ПИТАЮЩИЙ НАСОС
EXHAUST GAS UTILISATION SYSTEM, PARTICULARLY FOR AUTOMOBILE COMPRISING FEED PUMP

Изобретение касается системы использования отработавших газов, в частности для автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, содержащей питающий насос, согласно ограничительной части пункта 1, а также транспортного средства согласно пункту 16 и способа согласно пункту 17 формулы изобретения.
В широко известной системе использования отработавших газов в безрельсовом транспортном средстве давление и расход задаются посредством питающего насоса, который - без определения конкретной рабочей среды - часто называют и насосом питательной воды. Конструктивные формы таких питающих насосов могут быть различными. Это могут быть, например, аксиально-поршневые гидронасосы, аксиально-поршневые регулируемые насосы, диафрагмовые насосы. Эти типы питающих насосов приведены лишь в качестве примера. Такие насосы могут любым из широко известных способов быть снабжены электрическим или механическим приводом.
При механической связи с двигателем внутреннего сгорания число оборотов насоса через повышающую и понижающую передачи привязано к частоте вращения двигателя, за счет чего задаются имеющийся в распоряжении расход и выходное давление насоса в зависимости от его характеристик. Таким образом, у питающего насоса с механическим приводом от ДВС в различных рабочих точках, например, во время прогрева имеются в распоряжении массовые потоки рабочей среды, которые не всегда требуются в полном объеме. Если массовый поток, принудительно доставленный питающим насосом вследствие связи по числу оборотов, не требуется полностью, то он снова возвращается непосредственно в бак рабочей среды. Энергия, необходимая для этого дополнительно прокачиваемого потока рабочей среды, должна обеспечиваться ДВС и вызывает неблагоприятный перерасход топлива.
Еще одна проблема, связанная с работой питающего насоса в системе использования отработавших газов в автомобиле, заключается в том, что в качестве рабочей среды могут использоваться среды, базирующиеся на воде, в частности вода с органическими добавками или без них. Такие среды обладают тем негативным средством, что при низких температурах в сочетании с увеличением объема они замерзают, образуя твердое тело. Питающие насосы не пригодны для работы с замерзшей рабочей средой и поэтому могут повреждаться, что в неблагоприятном случае может привести к полному выходу из строя на длительное время.
Задача данного изобретения состоит поэтому в том, чтобы усовершенствовать систему использования отработавших газов, в частности для транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания, содержащую питающий насос, и сконструировать ее таким образом, что будет обеспечиваться защита питающего насоса от повреждений при низких температурах и/или его энергетически оптимизированное использование.
Эта задача решается признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов.
Согласно изобретению предусмотрено, что в системе использования отработавших газов установлен по меньшей мере один термодатчик для прямого или опосредованного определения фактической температуры рабочей среды. Этот по меньшей мере один термодатчик подключен к устройству управления приводом насоса, причем в этом устройстве управления задается по меньшей мере одно предельное значение температуры, которое сравнивается с фактической температурой рабочей среды. Если последняя ниже предельного значения температуры, то устройство управления выключает привод насоса и тем самым подачу насоса. При превышении этого предельного значения температуры или какого-то заданного порогового значения температуры, превышающего указанное предельное значение, подача насоса включается.
Для защиты питающего насоса от повреждения при низких температурах указанное предельное значение температуры выбирают в соответствии с температурой замерзания рабочей среды. Если указанное предельное значение температуры не достигнуто, то исходят из того, что в питающем насосе уже имеется или образуется замерзшая рабочая среда. С помощью устройства управления в этом рабочем режиме привод насоса и тем самым подача насоса выключается. Чтобы исключить колебания между отключением и включением при этом предельном значении температуры, в соответствии с принципом двухпозиционного регулирования для процесса включения предусматривается второе предельное значение температуры с расстоянием срабатывания выше первого предельного значения температуры.
Для получения максимально точной информации о фактической температуре рабочей среды один термодатчик устанавливают прямо в рабочей среде в зоне насоса и/или на корпусе насоса или внутри него.
При неработающем, выключенном транспортном средстве в условиях замерзания рабочей среды в питающем насосе образуется по меньшей мере ее замерзший остаток. Поэтому питающий насос следует рассчитать таким образом, чтобы при выключенном насосе не возникало никаких его повреждений. С помощью заявленного устройства управления гарантируется, что в этом состоянии питающий насос не запускается и потому не может быть поврежден, или же такой питающий насос должен противодействовать замерзанию рабочей среды.
Для максимально быстрого достижения допустимого и бесперебойного режима работы питающего насоса после запуска двигателя внутреннего сгорания в условиях замерзания рабочей среды предлагается подключить питающий насос к нагревающемуся контуру охлаждения двигателя внутреннего сгорания. В частности, при этом охлаждающая жидкость пропускается через каналы в корпусе питающего насоса, так что имеющаяся в питающем насосе замерзшая рабочая среда быстро растает и станет жидкой. После достижения предельного значения температуры включения питающий насос автоматически запускается. Пропускание охлаждающей жидкости через питающий насос в зависимости от температуры рабочей среды можно прерывать, в частности, если рабочая среда растаяла, и отключать.
Заявленная система и устройство управления пригодны для привода насоса, который состоит из механического передаточного устройства для прямой передачи вращения двигателя внутреннего сгорания на приводной вал насоса. Такой прямой механический привод может быть известным образом реализован посредством ведомого колеса на двигателе внутреннего сгорания и приводного колеса на приводном валу насоса, а также возможно соединение с передачей крутящего момента посредством гибкой связи или иного приводного механизма. Для этого известны различные варианты осуществления, например ременные шкивы, зубчатые колеса и т.д. с различными пригодными для них средствами гибкой связи, как, например, зубчатые ремни, клиновые ремни, цепи и т.п.
В предпочтительном варианте выполнения для выключения/включения привода насоса предлагается переключаемое посредством устройства управления муфтовое соединение в приводном валу насоса, с помощью которого может быть разорвана или создана механическая связь по вращающему моменту с двигателем внутреннего сгорания.
С таким муфтовым соединением привод насоса при температуре ниже предельного значения в условиях замерзания может в целях защиты питающего насоса оставаться отключенным до тех пор, пока не станет возможным безопасное приведение в действие насоса без замерзшей рабочей среды при соответственно детектированной температуре выше точки замерзания.
Кроме того, с помощью такого муфтового соединения привод насоса при необходимости может быть отключен или оставаться отключенным, если требуемые предельные температуры системы использования отработавших газов в процессе прогрева еще не достигнуты, так что система использования отработавших газов не может эксплуатироваться. В процессе прогрева путем, например, периодического отключения привода насоса с помощью муфтового соединения можно оптимизировать работу питающего насоса в энергетическом отношении.
Далее, работу питающего насоса можно оптимизировать по энергетическим показателям и за счет того, что в режиме торможения и/или режиме принудительного холостого хода двигателя внутреннего сгорания с помощью муфтового соединения при механическом приводе насоса передача вращающего момента питающего насоса на двигатель внутреннего сгорания прерывается: в режиме торможения двигателя внутреннего сгорания отбор мощности экспандера нежелателен, и поэтому он в режиме торможения отключается. Чтобы при этом защитить конденсатор от перегрузки и избежать затрат возможно необходимой для конденсации дополнительной мощности для привода вентилятора, массовый поток через испаритель снижается. За счет небольшого выделения тепла в режиме принудительного холостого хода двигателя внутреннего сгорания при механическом приводе насоса с привязкой к двигателю по крутящему моменту без такого отключения образуется избыточное количество рабочей среды, которое потребуется устранять с негативным воздействием на энергетический баланс системы использования отработавших газов. Это предотвращается при детектировании такого тормозного режима и/или режима принудительного холостого хода посредством регулируемого прерывания цепи привода насоса с помощью муфтового соединения.
Указанная выше защита от повреждений для питающего насоса в условиях замерзания рабочей среды может использоваться и для питающих насосов с регулируемым объемным расходом (регулируемых насосов). Однако в этом случае (вместо отключаемой муфты) при детектировании температуры в точке замерзания рабочей среды питающий насос может автоматически устанавливаться на нулевой расход с помощью устройства регулирования, например, при запуске питающего насоса будет предотвращаться его работа с замерзшей средой.
Кроме того, заявлены транспортное средство и способ. Обеспечиваемые ими преимущества подробно показаны выше.
Примеры осуществления изобретения подробно рассматриваются ниже с привлечением чертежей, на которых показаны:
Фиг.1 - устройство управления питающего насоса и его расположение в системе использования отработавших газов безрельсового транспортного средства с отключаемым механическим приводом насоса от двигателя внутреннего сгорания;
Фиг.2 - устройство управления питающего насоса и его расположение в системе использования отработавших газов безрельсового транспортного средства с электрическим приводом насоса, и
Фиг.3 - устройство управления питающего насоса и его расположение в системе использования отработавших газов безрельсового транспортного средства с механическим приводом насоса с регулируемым расходом.
На фиг.1 схематически представлен питающий насос 1 в системе использования отработавших газов автомобиля с двигателем 2 внутреннего сгорания. Сама система использования отработавших газов на показана, представлены лишь две присоединительные линии как впуск 3 и выпуск 4 питающего насоса 1 для рабочей среды на основе воды. Питающий насос 1 имеет приводной вал 5 насоса с переключаемой муфтой 6 и расположенным на конце ременным шкивом 7. Ременный шкив 7 связан с еще одним ременным шкивом 8, на который от двигателя внутреннего сгорания передается крутящий момент. Оба ременных шкива 7 и 8 связаны с ремнем 9, благодаря чему питающий насос 1 приводится в действие передачей крутящего момента от двигателя 2 внутреннего сгорания.
Кроме того, схематически показаны связанные с двигателем 2 внутреннего сгорания подвод 10 и отвод 11 охлаждающей среды в каналы в корпусе 12 насоса, причем в подводе 10 охлаждающей среды расположено (например, но здесь - предпочтительно) выполненное в виде электромагнитного клапана 13 клапанное устройство.
G
А
Для управления муфтой 6 и при необходимости электромагнитным клапаном 13 предусмотрен блок 6 управления, к которому подключены термодатчик T с включенной за ним ячейкой предельного значения температуры для условий замерзания рабочей среды и термодатчик Т с включенной за ним ячейкой предельного значения температуры для детектирования условий работы в процессе прогрева системы использования отработавших газов. Обе указанные ячейки предельных значений температуры при необходимости могут быть подключены к общему термодатчику.
Кроме того, на блок S управления подается сигнал В, который детектирует тормозной и/или тяговый режим двигателя внутреннего сгорания.
Представленное расположение питающего насоса 1 и его устройство управления имеют по существу следующую функцию.
G
При нормальных условиях окружающей среды и режиме эксплуатации муфта 6 и электромагнитный клапан 13 замкнуты. Если термодатчиком T детектируются условия замерзания рабочей среды, то посредством управляющей линии 14 муфта 6 размыкается, и тем самым разрывается приводная передача для питающего насоса 1.
А
При детектированном с помощью термодатчика Т прогреве системы использования отработавших газов муфта 6 посредством управляющей линии 14 тоже удерживается разомкнутой. По крайней мере при установленных условиях замерзания электромагнитный клапан 13 посредством блока S управления тоже удерживается открытым, чтобы благодаря нагретому охлаждающему средству обеспечить максимально быстрое «оттаивание» замерзшей рабочей среды.
Посредством сигнала В о режиме торможения и/или тяги сообщается блоку S управления, при которых муфта 6 тоже размыкается.
На фиг.2 показана другая, альтернативная конструкция, при которой питающий насос 1 не привязан по частоте вращения к двигателю 2 внутреннего сгорания, а приводится в действие непосредственно электродвигателем 15 (показан схематически). И в этом случае питающий насос 1 имеет впуск 3 и выпуск 4 для рабочей среды. Каналы в корпусе 12 насоса в этом случае тоже подключены в контур 10 охлаждения через электромагнитный клапан 13 и отвод 11 охлаждающей среды. Объемный расход питающего насоса 1 регулируется здесь по мере необходимости посредством регулятора R, в частности путем изменения частоты вращения электродвигателя 15, для чего этот регулятор R получает дополнительную информацию о соответствующих рабочих условиях в системе использования отработавших газов (показано стрелкой 16).
G
Кроме того, к регулятору R подключен термодатчик T, с помощью которого в комбинации с пороговой схемой в регуляторе R детектируются условия замерзания для рабочей среды в питающем насосе. При наступлении такого условия замерзания с помощью регулятора R устанавливается нулевой расход питающего насоса 1, вследствие чего электродвигатель 15 не приводит в действие питающий насос 1. Таким способом может быть обеспечено, что питающий насос, как и иные компоненты системы использования отработавших газов не получат никаких повреждений из-за замерзшей рабочей среды.
На фиг.3 показана третья альтернативная конструкция, при которой питающий насос приводится в действие от ДВС механически, с привязкой по частоте вращения и выполнен как насос с регулируемым объемным расходом. И в этом случае питающий насос 1 имеет впуск 3 и выпуск 4 для рабочей среды. Каналы в корпусе 12 насоса здесь тоже подключены в контур 10 охлаждения через электромагнитный клапан 13 и отвод 11 охлаждающей среды. Регулятором объемный расход питающего насоса 1 при необходимости регулируется, в частности, путем изменения производительности насоса, для чего регулятор R получает дополнительную информацию о соответствующих рабочих условиях в системе использования отработавших газов (показано стрелкой 16).
G
Кроме того, к регулятору R подключен термодатчик T, посредством которого в сочетании с пороговой схемой в регуляторе R детектируются условия замерзания для рабочей среды в питающем насосе. При наступлении такого условия замерзания с помощью регулятора R устанавливается нулевой расход питающего насоса 1, вследствие чего даже при приведенном в действие питающем насосе подача среды не происходит. За счет этого питающий насос 1, а также иные имеющиеся в системе использования отработавших газов компоненты и при такой схеме не получат повреждений из-за замерзшей рабочей среды.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1
Питающий насос
2
Двигатель внутреннего сгорания
3
Впуск для рабочей среды
4
Выпуск для рабочей среды
5
Приводной вал насоса
6
Муфта
7
Ременный шкив
8
Ременный шкив
9
Зубчатый ремень
10
Подвод охлаждающей среды
11
Отвод охлаждающей среды
12
Корпус насоса
13
Электромагнитный клапан
14
Управляющая линия
15
Электродвигатель
16
Стрелка
S
Блок управления
R
Регулятор
T<sub>G</sub>
Термодатчик
T<sub>A</sub>
Термодатчик
B
Сигнал