СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ РАБОТЫ ТУРБИНЫ
TURBINE EFFICIENCY CONTROL PROCEDURE AND DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для управления эффективностью работы турбины турбонагнетателя для двигателя внутреннего сгорания.
Уровень техники
Турбонагнетатели хорошо известны и широко используются с двигателями внутреннего сгорания для повышения выходной мощности, снижения расхода топлива и выбросов вредных веществ, а также для компенсации падения плотности воздуха на больших высотах. В общем случае турбонагнетатели увеличивают количество воздуха, подаваемого для процесса сгорания, по сравнению с количеством воздуха, поступающего в двигатель при естественном всасывании, путем использования энергии отработавших газов для привода воздушного компрессора. Увеличение подачи воздуха обеспечивает сжигание большего количества топлива, в результате чего повышается выходная мощность двигателя по сравнению с мощностью, получаемой в условиях естественного всасывания. Турбонагнетатели с изменяемой геометрией обеспечивают оптимизацию потока всасываемого воздуха в широком диапазоне числа оборотов двигателя. Изменение геометрии может осуществляться путем изменения угла входных направляющих лопаток статора турбины. Оптимальное положение направляющих лопаток определяется в зависимости от таких параметров, как требуемая передаточная характеристика крутящего момента, требования по экономии топлива и выбросам вредных веществ.
Для снижения выбросов NOx используются системы рециркуляции отработавших газов (РОГ, англ. EGR), повышающие степень обеднения смеси во впускном коллекторе. Обычно в состав системы РОГ входит клапан, который соединяет впускной коллектор с выпускным коллектором.
Возвращаемые (рециркулируемые) отработавшие газы действуют в цилиндрах в качестве инертного газа, уменьшающего пламя и снижающего температуру газа в цилиндрах, в результате чего снижается образование NOx. С другой стороны, возвращаемые в двигатель отработавшие газы замещают свежий воздух и снижают отношение воздуха к топливу в топливовоздушной смеси в цилиндрах.
В двигателе с турбиной с изменяемой геометрией и с системой РОГ поступающий в двигатель поток воздуха и возвращаемый поток отработавших газов регулируются положением лопаток турбины и клапаном системы РОГ. Действующее давление системы РОГ зависит от эффективности работы турбины и температуры отработавших газов. При высокой эффективности работы турбины и/или при высоких температурах отработавших газов действующее давление в системе РОГ будет недостаточным, в этом случае должны использоваться клапаны системы РОГ с большим проходным сечением в сочетании с малым проходным сечением направляющего аппарата турбины для повышения давления наддува и соответственно снижения температуры отработавших газов, в результате чего будет рециркулироваться необходимое количество отработавших газов. Повышение давления наддува, как правило, влечет за собой снижение КПД турбонагнетателя, что также способствует повышению действующего давления системы РОГ.
Это означает, что если эффективность работы турбонагнетателя слишком высока, то давление наддува и другие предельные значения параметров работы двигателя, например число оборотов турбины, максимальное давление в цилиндрах и температура компрессора, будут на слишком высоком уровне, когда проходное сечение направляющего аппарата турбины уменьшается для достижения достаточного действующего давления системы РОГ.
Для получения достаточного действующего давления системы РОГ в турбонагнетатель и/или в двигатель вносятся изменения для снижения эффективности работы турбины таким образом, чтобы в любой точке рабочего диапазона двигателя не превышались предельные значения параметров. В результате повышается расход топлива и выбросы вредных веществ из-за повышенных потерь на газообмен и пониженной величины лямбда в тех зонах, в которых предельные значения не достигнуты, что может создавать проблемы. Диапазон управления системой РОГ также будет ограничен и накладывает ограничение на максимально возможную величину мощности/крутящего момента, которую можно получить от двигателя, что также может создавать проблемы.
Раскрытие изобретения
Поэтому целью настоящего изобретения является устранение вышеуказанных проблем с потерями на газообмен и ограниченным диапазоном системы РОГ для турбонагнетателя.
Указанная цель изобретения достигается с использованием признаков независимых пунктов формулы изобретения. Другие пункты формулы изобретения и описание раскрывают предпочтительные варианты осуществления изобретения.
В изобретении предлагается способ управления эффективностью работы турбины в турбонагнетателе для двигателя внутреннего сгорания, который включает: обеспечение газового потока в зоне по потоку перед ротором турбины в направлении, которое отличается от направления отработавших газов в указанной зоне; регулирование газового потока с помощью клапана; управление клапаном с помощью блока управления, в котором в качестве входных параметров используются по меньшей мере давление наддува и/или расход в системе РОГ.
Достоинством настоящего изобретения является возможность оптимального использования эффективности работы турбины в широком диапазоне.
Другое достоинство настоящего изобретения заключается в том, что оно обеспечивает улучшенные возможности по управлению параметрами работы двигателя, такими как число оборотов турбины, температура компрессора, пиковое давление в цилиндрах, позволяет снизить расход топлива и повысить максимально достижимую мощность (крутящий момент) двигателя.
В другом варианте осуществления изобретения способ включает дополнительно наличие в указанной зоне нескольких выпускных отверстий для газового потока.
Достоинством этого варианта является дополнительное улучшение возможностей управления двигателем.
Еще в одном варианте способ включает дополнительно наличие в каждом из выпускных отверстий двухпозиционного клапана (Вкл./Выкл.).
Достоинство этого варианта заключается в том, что простые двухпозиционные клапаны, установленные в выпускных отверстиях, могут обеспечить отличную регулировку потока, обеспечиваемого в указанной зоне, а именно открытие одного или нескольких клапанов может обеспечивать регулировку путем небольших приращений.
Еще в одном варианте способ включает дополнительно наличие в каждом из выпускных отверстий регулируемого клапана.
Достоинство этого варианта заключается в том, что в этом случае можно не только добавлять другой поток путем открытия другого выпускного отверстия, но также можно регулировать поток из одного выпускного отверстия, то есть обеспечиваются дополнительные возможности точной регулировки потока газа в указанную зону, что в свою очередь улучшает возможности управления двигателем.
Еще в одном варианте способ включает дополнительно наличие клапана снаружи корпуса турбонагнетателя.
Достоинством этого варианта является то, что он представляет собой простое малозатратное решение, которое может быть применено в существующих турбонагнетателях.
Еще в одном варианте способ включает дополнительно размещение клапана внутри корпуса турбонагнетателя.
Достоинством этого варианта является то, что обеспечивается компактный турбонагнетатель, который может использоваться в случаях ограниченного пространства для его установки.
Еще в одном варианте способ включает дополнительно обеспечение газового потока из спиральной камеры турбонагнетателя.
Достоинством такого решения является компактность конструкции турбонагнетателя.
Еще в одном варианте способ включает дополнительно обеспечение газового потока из выпускного коллектора отработавших газов.
Достоинством этого варианта является то, что может использоваться простая и короткая трубка, соединяющая выпускной коллектор и турбонагнетатель.
Еще в одном варианте способ включает дополнительно обеспечение газового потока из выпускного отверстия, расположенного по потоку после компрессора турбонагнетателя, или из внешнего резервуара компрессора.
Достоинство этого варианта заключается в том, что в этом случае обеспечивается достаточный поток газа и одновременно может обеспечиваться охлаждение турбонагнетателя, поскольку такой поток газа имеет температуру, которая существенно ниже температуры отработавших газов.
В изобретении также предлагается система управления эффективностью работы турбины в турбонагнетателе для двигателя внутреннего сгорания, содержащая по меньшей мере одно выпускное отверстие в выходной части спиральной камеры турбины для обеспечения газового потока в направлении, отличающемся от направления потока отработавших газов в этой выходной части спиральной камеры турбины; клапан, установленный между источником газового потока и выпускным отверстием в выходной части спиральной камеры турбины для регулирования газового потока; и блок управления для управления клапаном, причем входными параметрами блока управления являются по меньшей мере давление наддува и/или расход в системе рециркуляции газов.
В изобретении также предлагается транспортное средство, снабженное системой управления эффективностью работы турбины в турбонагнетателе для двигателя внутреннего сгорания, содержащей по меньшей мере одно выпускное отверстие в выходной части спиральной камеры турбины для обеспечения газового потока в направлении, отличающемся от направления потока отработавших газов в этой выходной части спиральной камеры турбины; клапан, установленный между источником газового потока и выпускным отверстием в выходной части спиральной камеры турбины для регулирования газового потока; и блок управления для управления клапаном, причем входными параметрами блока управления являются по меньшей мере давление наддува и/или расход в системе рециркуляции газов.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение вместе с вышеупомянутыми и другими его целями и достоинствами можно будет лучше всего понять из нижеприведенного подробного описания вариантов осуществления изобретения, которые не ограничивают его объем, со ссылками на чертежи, на которых схематично показано:
на фиг.1-5 - виды сечения части турбонагнетателя в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения;
на фиг.6 - вид сбоку сечения турбины и лопаток в турбонагнетателе в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.7 - блок-схема одного из вариантов осуществления изобретения для двигателя внутреннего сгорания;
на фиг.8 - блок-схема одного из вариантов осуществления способа, предлагаемого в настоящем изобретении;
на фиг.9 - графическая зависимость проходного сечения клапана от требуемой рециркуляции в системе РОГ для одного из известных технических решений и для настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг.1-5 приведены виды сечения части турбонагнетателя в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения. На фиг.1 показаны: спиральный корпус 102, лопатка 104, ротор 106 турбины, клапан 108, трубка 110, впускное отверстие 114 для газового потока, выпускное отверстие 116 для газового потока, спиральная камера 118. Спиральный корпус 102 является частью общего корпуса турбонагнетателя, который включает также, среди прочего, кожух подшипников и кожух компрессора, которые на фиг.1-5 не показаны. Корпус турбонагнетателя в настоящем контексте определяется как любой компонент, который в целом формирует турбонагнетатель.
Отработавшие газы из двигателя внутреннего сгорания поступают в спиральную камеру 118 и проходят в направлении, указанном стрелками А на фиг.1-5. Когда отработавшие газы проходят через ротор 106 турбины, он начинает вращаться. Как показано на фиг.1, в конструкции турбины используются регулируемые лопатки 104 для изменения потока отработавших газов, проходящих через турбину. Поток отработавших газов выходит из выпускного отверстия 116, которое расположено в спиральном проходе направляющего аппарата турбины. Этот спиральный проход можно описать как зону, ограниченную в направлении потока отработавших газов ротором 106 турбины и в противоположном направлении линией 112. Как можно видеть на фиг.1, отработавшие газы, выходящие в спиральный проход турбины из выпускного отверстия 116, поступают из спиральной камеры 118. Впускное отверстие 114 для потока газов обеспечивается в спиральном корпусе 102 в подходящем месте. Между впускным отверстием 114 и выпускным отверстием 116 расположен клапан 108 для регулирования потока газов через выпускное отверстие 116. Как показано на фиг.1, клапан 108 расположен в трубке 110. Направление потока газов в трубке 110 и в спиральном корпусе 102 показано стрелкой В.
Можно сказать, что отработавшие газы, поступающие во впускное отверстие 114 и выходящие из выпускного отверстия 116, являются малой частью потока отработавших газов, проходящих в проходах, сформированных лопатками 104. Количество отработавших газов, проходящих по перепускной трубке 110, может достигать примерно 30% от всего потока отработавших газов, более предпочтительно не более 15% и еще более предпочтительно не более 10% от всего потока отработавших газов. Направление этого потока газов, проходящих по трубке 110 и подаваемых в спиральный проход, отличается от направления потока отработавших газов в спиральном проходе направляющего аппарата турбины, а именно поток газов, выходящих из трубки 110, пересекает основной поток отработавших газов.
Указанный поток, пересекающий основной поток отработавших газов, может существенно снижать количество движения основного потока. Это происходит в результате того, что поперечный поток из выпускного отверстия 116 создает вихрь, закрученный в противоположном направлении, или воздушный барьер для основного потока.
Этот воздушный барьер будет снижать характеристики турбины, что может рассматриваться как эквивалентное снижение эффективности ее работы. Ускорение потока в спиральном проходе направляющего аппарата турбины уменьшает статическое давление на выходе спирального прохода и обеспечивает достаточное действующее давление для обеспечения требуемой интенсивности потока в перепускном канале.
Для регулирования потока, подаваемого в выходную часть спирального прохода, может использоваться клапан 108, который может иметь два рабочих положения (Вкл./Выкл.), или же в нем обеспечивается плавное регулирование проходного сечения. Клапан 108 в сочетании с турбиной с изменяемой геометрией, то есть с регулируемыми лопатками 104, обеспечивает управление эффективностью работы турбонагнетателя и, соответственно, действующим давлением системы РОГ, числом оборотов турбины и т.п. для поддержания их на оптимальном уровне.
На фиг.2 представлен вид другого варианта осуществления настоящего изобретения. Разница между фиг.1 и фиг.2 заключается в положении выпускного отверстия 116 и, возможно, в положении клапана 108, поскольку трубка 110 несколько отличается от трубки на фиг.1. Другое отличие между фиг.1 и фиг.2 заключается в том, что на фиг.2 показана турбина с неизменяющейся геометрией, то есть без лопаток, как на фиг.1. Выход спирального прохода направляющего аппарата турбины указан обозначением 105 на фиг.2 и так же, как и на фиг.1, ограничен линией 112 и ротором 106 турбины.
На фиг.3 представлен вид другого варианта осуществления настоящего изобретения. Единственное отличие между фиг.1 и фиг.3 заключается в том, что в варианте фиг.3 клапан интегрирован в спиральный корпус 102. Клапан может иметь электрический, пневматический или гидравлический привод. Может использоваться любой тип клапана, например манжетный клапан, клапан с поворотной заслонкой, золотниковый клапан и т.п.
На фиг.4 представлен вид еще одного варианта осуществления настоящего изобретения. Единственное отличие между фиг.2 и фиг.4 заключается в том, что в варианте фиг.4 клапан интегрирован в спиральный корпус 102. Клапан может иметь электрический, пневматический или гидравлический привод. Может использоваться любой тип клапана, например манжетный клапан, клапан с поворотной заслонкой, золотниковый клапан и т.п. Спиральный корпус может состоять из нескольких частей, например, отдельной частью корпуса может быть кольцо со спиральными проходами. В случае использования отдельного кольца со спиральными проходами клапан 108 может быть интегрирован в это кольцо.
На фиг.5 представлен вид еще одного варианта осуществления настоящего изобретения. Этот вариант отличается от вариантов, показанных на фиг.1-4, тем, что поток В газа поступает не из спиральной камеры 118, а из другого источника 10. Этот другой источник 10 может быть внешним баллоном со сжатым воздухом, например баллоном со сжатым воздухом, который используется в качестве вспомогательного источника для тормозной системы, для системы переключения передач и/или для подвески. Другим источником 10 может быть любая точка отбора сжатого воздуха между турбонагнетателем и впускным коллектором. Еще одним источником 10 могут быть отработавшие газы, отбираемые из выпускного коллектора.
В вариантах, представленных на фиг.1-5, показано только одно выпускное отверстие 116, выходящее по потоку за лопатки (а именно по меньшей мере частично по потоку за лопатками) или в выпускную часть спиральных проходов 105 турбины. Однако для обеспечения потока газа в зону, расположенную за лопатками, или выпускной части спиральных проходов 105 турбины может использоваться несколько выпускных отверстий. Кроме того, возможно совместное использование признаков вариантов, представленных на фиг.1-5, например, использование признаков вариантов, представленных на фиг.1 и фиг.2, будет давать вариант, в котором поток газа, поступающий в зону, расположенную за лопатками, или в выпускную часть спиральных проходов 105 турбины, может подаваться одновременно с двух противоположных направлений. Направление потока В, поступающего в зону, расположенную за лопатками, или в выпускную часть спиральных проходов 105 турбины должно отличаться от направления потока отработавших газов, указанных обозначением А. В одном из вариантов поток В газа поступает в зону, расположенную за лопатками, или в выпускную часть спиральных проходов 105 турбины перпендикулярно направлению потока А отработавших газов.
Подача поперечного потока между спиральными проходами и ротором позволяет обеспечивать более устойчивый и однородный поток на выходе из турбины, поскольку весь подаваемый газ расширяется в роторе и поэтому может быть снижена возможность возникновения неоднородностей потока и его температуры, которые могут неблагоприятно влиять на компоненты, находящиеся ниже по потоку (например, на турбину низкого давления или на системы последующей обработки отработавших газов).
За счет введения поперечного потока с противоположным направлением закручивания (тангенциальная компонента направлена противоположно направлению основного потока) будет повышаться эффективность действия этого противотока, в результате чего поперечный поток может быть уменьшен, то есть могут быть уменьшены размеры клапана и трубки.
Подходящее направление потока с противоположным закручиванием относительно основного потока может составлять 30-70 градусов относительно радиального направления.
Поперечный поток будет поддерживать более высокий перепад давлений на турбине по сравнению с вариантом отвода от турбины части потока, поскольку используемый поперечный поток может быть меньше и при этом весь поток будет проходить через ротор турбины. Такое повышение перепада давлений будет благоприятно сказываться на работе системы рециркуляции отработавших газов.
В турбине с изменяемой геометрией проходное сечение спиральных проходов не должно уменьшаться в такой же степени, как и в случае отвода от турбины части потока, в результате чего снижается возможность механических неисправностей (например, в результате накопления многоцикловой усталости). На фиг.6 приведен вид сбоку сечения турбины 106 и лопаток 125 в турбонагнетателе в соответствии с настоящим изобретением. На этой фигуре показано первое направление потока отработавших газов, указанное обозначением А, и второе направление потока газов, указанное обозначением В. Как можно видеть на фиг.6, поток В газа может быть введен в зону, расположенную за лопатками, а именно в зону между турбиной и лопатками.
На фиг.7 представлена схема 700 потока воздуха, поступающего в двигатель 702 внутреннего сгорания, и выходящего из него потока отработавших газов. Двигатель 702 снабжен клапаном 704 системы рециркуляции отработавших газов (РОГ), турбонагнетателем 708 и перепускным клапаном 706. Поток отработавших газов поступает из двигателя 702 внутреннего сгорания в направлении клапана системы РОГ или в ротор турбины турбонагнетателя 708. Часть отработавших газов, подаваемая в ротор турбины, может быть направлена в перепускной канал с помощью перепускного клапана 706 в соответствии с настоящим изобретением, как это показано на фиг.1-5. Воздух подается в двигатель через компрессор. Воздух, подаваемый в двигатель, может содержать отработавшие газы, поступающие через клапан 704 системы РОГ.
Может использоваться турбонагнетатель 708 любого типа, например турбонагнетатель с постоянной пропускной способностью (неизменяемая геометрия) или турбонагнетатель с изменяемой пропускной способностью, например одноступенчатый или двухступенчатый турбонагнетатель с изменяемой геометрией. Ротор турбины может быть аксиального типа, радиального типа или смешанного типа. Диапазон изменения углов лопаток в турбинах с изменяемой геометрией может составлять 50°-86° и более, предпочтительно 60°-84°, относительно радиального направления.
На фиг.8 приведена блок-схема одного из вариантов осуществления способа, предлагаемого в настоящем изобретении. Как показано на фиг.8, в блок 802 управления поступает информация от различных датчиков, включая датчик воздушного потока и датчик системы РОГ. Электронный блок 802 управления обеспечивает управление положением лопаток в турбине с изменяемой геометрией и степенью рециркуляции отработавших газов в системе РОГ. Управляющая информация из блока 802 управления поступает на вход блока 804 управления клапанами, который обеспечивает управление положением клапана 704 системы РОГ и перепускного клапана 706.
Датчик воздушного потока может быть датчиком воздушного потока, датчиком давления наддува или другим датчиком, который может использоваться для получения величины расхода воздуха или концентрации кислорода в отработавших газах. В качестве датчика потока системы РОГ может использоваться любой тип датчика, который обеспечивает определение величины потока. Кроме того, могут использоваться дополнительные датчики рабочего режима двигателя, а также предельные значения параметров, таких как, например, число оборотов турбины. В электронном блоке управления может использоваться любой подходящий алгоритм управления: с разомкнутым контуром, с замкнутым контуром, управление с упреждением или другие способы, включая адаптивное регулирование и средства оптимизации.
Сигнал управления системой РОГ может быть электрическим или механическим.
На фиг.9 приведена графическая зависимость проходного сечения клапана от требуемой РОГ для одного из известных технических решений и для настоящего изобретения. По оси Y откладывается величина проходного сечения клапана, а по оси X необходимая степень рециркуляции отработавших газов в системе РОГ. Первая кривая 902 представляет зависимость для клапана системы РОГ, а вторая кривая 904 представляет зависимость для перепускного клапана. Если оптимальное количество рециркулируемых отработавших газов может быть получено при неполностью открытом клапане системы РОГ, то в перепускном потоке нет необходимости, поскольку действующее давление будет достаточным для работы системы РОГ. Если же потребность системы РОГ в рециркуляции отработавших газов выше, чем это может быть достигнуто при полностью открытом клапане системы РОГ, то дополнительное увеличение действующего давления для системы РОГ обеспечивается перепускным клапаном. Перепускной клапан (в сочетании с изменяемой геометрией турбины) обеспечивает управление эффективностью работы турбины до уровня, при котором клапан системы РОГ полностью открыт, с минимально возможными потерями давления, минимальной мощностью для обеспечения газообмена и, как следствие, пониженным расходом топлива.
Способ может также использоваться для обеспечения дополнительных функций, таких как работа в режиме нагрева, то есть, когда температура отработавших газов недостаточно высока для функционирования системы последующей обработки отработавших газов, то температура отработавших газов может быть повышена. Это может быть осуществлено путем уменьшения количества поступающего воздуха и снижения эффективности работы двигателя, в результате чего увеличивается количество сжигаемого топлива для получения заданной мощности. Однако при этом отношение воздуха к топливу должно поддерживаться выше определенной величины для обеспечения приемлемого уровня выбрасываемой сажи. Требуемый уровень температуры отработавших газов может быть обеспечен за счет управления эффективностью работы турбины и давлением наддува с использованием клапана системы РОГ путем изменения положения лопаток турбины и потока в перепускном канале. Для этого необходимо, чтобы перепускной клапан и клапан системы РОГ работали независимо.
Изобретение может быть применено в любом двигателе внутреннего сгорания, таком как дизельный двигатель, бензиновый двигатель, двигатель, работающий на двухкомпонентном топливе (или многокомпонентном топливе) с одним или с несколькими цилиндрами. Двигатели могут быть установлены на таких транспортных средствах, как легковые автомобили, грузовики, автопогрузчики и т.д. Также двигатель может быть стационарным или может устанавливаться на лодках.
Изобретение не должно считаться ограниченным вышеописанными вариантами его осуществления, более того, в пределах объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой, могут быть также предложены и другие варианты, а также их модификации.