СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE OPERATION CONTROL METHOD

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом. Оно касается управления двигателем внутреннего сгорания, в котором применяется рециркуляция отработавших и/или выпускных газов из выпускного клапана в цилиндр двигателя через впускной клапан.
Отработавшими газами называются газы на выходе из турбины турбокомпрессора. Выпускными газами называются газы на выходе из выпускного клапана двигателя до входа в турбину турбокомпрессора.
Известны различные способы управления двигателем внутреннего сгорания с использованием рециркуляции отработавших или выпускных газов. В патентах США №6141959 (опубл. 07.11.2000 г.) и №9002622 (опубл. 07.04.2015 г.) рециркуляцию выпускных газов осуществляют по внутреннему контуру между выпускным и впускным коллекторами, где давление газов при турбонаддуве значительно выше атмосферного. В международной заявке ВОИС №2013017524 (опубл. 07.02.2013 г.), а также в патенте США №8443789 (опубл. 21.05.2013 г.) рециркуляцию отработавших газов осуществляют по внешнему контуру, а именно из выпускной системы транспортного средства через впускной патрубок компрессора турбокомпрессора при давлении газов, близком к атмосферному. Однако использование в двигателе турбонаддува в сочетании только с внешним контуром рециркуляции отработавших газов или только с внутренним контуром рециркуляции выпускных газов сужает возможности и понижает эффективность использования двигателя.
Также известен способ управления двигателем внутреннего сгорания, в котором при частоте вращения вала двигателя выше средней величины подают выпускные газы через теплообменник к впускному клапану (т.е. по внутреннему контуру рециркуляции газов). При средней и меньшей частоте вращения вала двигателя подают выпускные газы через тот же теплообменник на вход в компрессор турбокомпрессора. При снижении нагрузки на двигатель подают выпускные газы через тот же теплообменник и к впускному клапану, и на вход в компрессор (см. патент №2543925 РФ на изобретение, опубл. 10.03.2015 г.). Однако использование наряду с внутренним контуром рециркуляции газов лишь части внешнего контура рециркуляции газов, без использования всего внешнего контура, сужает возможности по сокращению выбросов оксидов азота с отработавшими газами, повышению топливной экономичности двигателя внутреннего сгорания, а также улучшению его пусковых качеств.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) принят способ управления двигателем внутреннего сгорания, изложенный в международной заявке ВОИС №2007064949, опубл. 07.06.2007 г. При этом способе управления двигателем внутреннего сгорания, содержащем турбокомпрессор, дросселируют поток отработавших газов, поступающих из турбины турбокомпрессора, и направляют часть этого потока через теплообменник на вход в компрессор. На внутреннем контуре рециркуляции направляют часть выпускных газов к впускному клапану двигателя через другой теплообменник охлаждения рециркулирующих газов. Однако при использовании многоконтурных систем рециркуляции газов с двумя и более теплообменниками охлаждения рециркулирующих газов увеличиваются габариты и масса двигателя.
При разработке способа управления двигателем внутреннего сгорания с турбокомпрессором решалась задача сокращения выбросов вредных веществ в атмосферу и расхода топлива во время пуска холодного двигателя до приведения его в нормальное тепловое состояние, а также повышения эффективности использования двигателя путем обеспечения возможности прохождения рециркулирующих газов через общий для всех контуров рециркуляции теплообменник охлаждения рециркулирующих газов.
Решение этой задачи обеспечено тем, что при пуске холодного двигателя дросселируют поток отработавших газов, поступающих из турбины турбокомпрессора, после пуска двигателя продолжают дросселировать поток отработавших газов, поступающих из турбины турбокомпрессора, и направляют часть этого потока через теплообменник на вход в компрессор. По завершении прогрева после пуска двигателя направляют часть выпускных газов через указанный теплообменник к впускному клапану двигателя и при этом дросселируют поток воздуха, поступающего от компрессора.
При таком способе управления двигателем внутреннего сгорания с рециркуляцией газов и по внешнему, и по внутреннему, и по смешанному контуру обеспечивается сокращение выбросов вредных веществ и расхода топлива на холодном двигателе в режиме ускоренного прогрева двигателя после его пуска. При этом обеспечивается возможность прохождения рециркулирующих газов через общий для всех контуров рециркуляции теплообменник охлаждения рециркулирующих газов, вследствие чего упрощается конструкция двигателя с многоконтурной системой рециркуляции газов.
На режимах малой нагрузки при средней и меньшей частоте вращения вала двигателя подают выпускные газы через указанный теплообменник к впускному клапану двигателя. На режимах средней нагрузки при всех частотах вращения вала двигателя, а также на режимах большой и малой нагрузки при высокой частоте вращения вала двигателя подают выпускные газы через тот же теплообменник на вход компрессора. На режимах большой нагрузки при средней и меньшей частоте вращения вала двигателя подают отработавшие газы с выхода турбины через указанный теплообменник на вход компрессора. Это обеспечивает снижение выбросов оксидов азота на прогретом двигателе.
Технический результат, обеспечиваемый заявленной совокупностью признаков, заключается в повышении эффективности работы двигателя в холодном и прогретом состояниях, улучшении пусковых качеств двигателя, сокращении времени его прогрева, выбросов вредных веществ в атмосферу и расхода топлива при прогреве, а также в улучшении топливной экономичности двигателя.
На фигуре 1 показан двигатель внутреннего сгорания с расположением его заслонок в первой позиции.
На фигуре 2 показан двигатель внутреннего сгорания с расположением его заслонок во второй позиции.
На фигуре 3 показан двигатель внутреннего сгорания с расположением его заслонок в третьей позиции.
На фигуре 4 показан двигатель внутреннего сгорания с расположением его заслонок в четвертой позиции.
Двигатель внутреннего сгорания, показанный на фигурах 1-4, содержит компрессор 1, осуществляющий подачу сжатого воздуха по впускному трубопроводу 2 через теплообменник 3 охлаждения наддувочного воздуха и позиционируемую заслонку 4 к впускному клапану 5 двигателя.
С выпускным клапаном 6 двигателя сообщен выпускной трубопровод 7 для прохода выпускных газов к турбине 8 турбокомпрессора 9, осуществляющей привод компрессора 1. С выпускным трубопроводом 7 сообщен рециркуляционный канал 10, содержащий позиционируемую заслонку 11, теплообменник 12 охлаждения рециркулирующих газов, расположенный в канале 10 после заслонки 11, и двухпозиционную заслонку 13, расположенную перед позиционируемой заслонкой 11. На участке 14 рециркуляционного канала установлена двухпозиционная заслонка 15, сообщающая рециркуляционный канал с впускным клапаном 5. На другом участке 16 рециркуляционного канала установлена двухпозиционная заслонка 17, сообщающая рециркуляционный канал с входом 18 в компрессор 1 турбокомпрессора 9.
В выпускном трубопроводе на выходе 19 из турбины 8 расположена дополнительная позиционируемая заслонка 20. Участок выпускного трубопровода, расположенный между выходом 19 из турбины 8 и дополнительной позиционируемой заслонкой 20, сообщен с участком рециркуляционного канала 10, расположенным между позиционируемой заслонкой 11 и двухпозиционной заслонкой 13, посредством двухпозиционной заслонки 21, установленной в канале 22 подачи отработавших газов от турбины 8.
Позиционируемые заслонки 4, 11, 20 имеют электропневматические приводы 23, подключенные к электронному блоку 24 управления двигателем. К этому же блоку подключены приводы 25, изменяющие положение двухпозиционных заслонок 13, 15, 17 и 21.
Взаимодействие и порядок работы заслонок при осуществлении заявленного способа управления двигателем происходит следующим образом.
При неработающем двигателе все три контура рециркуляции газа блокируют. Позиционируемую заслонку 11, двухпозиционные заслонки 13, 15, 17, 21 - все закрывают (фигура 1).
При пуске холодного двигателя дросселируют с помощью заслонки 20 поток отработавших газов, поступающих из турбины 8 турбокомпрессора 9, что улучшает и ускоряет пуск двигателя вследствие повышения температуры газов в цилиндрах двигателя. После пуска двигателя направляют горячие отработавшие газы через двухпозиционную заслонку 21, позиционируемую заслонку 11, теплообменник 12 и двухпозиционную заслонку 17 на вход 18 компрессора 1, вытесняя поток впускного холодного воздуха, что ускоряет прогрев холодной охлаждающей жидкости на тактах впуска и сжатия. При этом так как при дросселировании отработавших газов увеличивается давление горячих газов в цилиндрах двигателя на тактах выпуска и рабочем ходе, дополнительно повышается теплопередача в холодную охлаждающую жидкость и тем самым ускоряется ее прогрев.
При завершении пуска двигателя направляют часть выпускных газов через двухпозиционную заслонку 13, позиционируемую заслонку 11, теплообменник 12 и двухпозиционную заслонку 15 к впускному клапану 5 двигателя (фигура 2). При этом производят дросселирование потока воздуха, поступающего от компрессора 1, посредством позиционируемой заслонки 4.
На режимах малых нагрузок при низких и средних частотах вращения вала двигателя используют внутренний контур рециркуляции (фигура 2). Двухпозиционные заслонки 13, 15 полностью открывают, а двухпозиционные заслонки 17, 21 полностью закрывают. Позиционируемую заслонку 11 и заслонку 4 усиления рециркуляционного перепада устанавливают в одном из позиционируемых положений. Заслонку 20 полностью открывают, либо устанавливают в одном из позиционируемых положений. При этом выпускные газы высокого давления подают к впускному клапану 5 двигателя.
На режимах средних нагрузок при всех частотах вращения вала двигателя, а также на режимах больших и малых нагрузок при высокой частоте вращения вала двигателя используют смешанный контур рециркуляции (фигура 4). Двухпозиционные заслонки 13, 17 полностью открывают, при этом двухпозиционные заслонки 15, 21 полностью закрывают. Заслонки 4, 11 устанавливают в одном из позиционируемых положений. Заслонку 20 либо полностью открывают, либо устанавливают в одном из позиционируемых положений. При этом выпускные газы высокого давления подают через позиционируемую заслонку 11 и двухпозиционную заслонку 17, установленные в рециркуляционном канале 10, на вход 18 компрессора 1.
На режимах больших нагрузок при низких и средних частотах вращения вала двигателя используют внешний контур рециркуляции газов (фигура 3). Двухпозиционные заслонки 17, 21 полностью открывают, а двухпозиционные заслонки 13, 15 полностью закрывают. Позиционируемую заслонку 11 и заслонку 20 усиления рециркуляционного перепада устанавливают в одном из позиционируемых положений. Заслонку 4 либо полностью открывают, либо устанавливают в одном из позиционируемых положений. При этом отработавшие газы низкого давления подают с выхода 19 турбины 8 турбокомпрессора 9 на вход 18 компрессора 1. Такую рециркуляцию отработавших газов используют также на режимах разгона двигателя.
Позиционирование всех заслонок отслеживают по сигналам с датчиков положения электропневматических приводов 23, 25 и осуществляют электронным блоком 24 управления в поле многопараметровой характеристики двигателя - карты двигателя - в зависимости от сигналов с датчиков частоты вращения коленчатого вала двигателя, нагрузки, детонации, температуры охлаждающей жидкости, расхода воздуха, давления и температуры наддувочного воздуха.
Таким образом, во время управления двигателем внутреннего сгорания, снабженным турбокомпрессором 9, при пуске холодного двигателя дросселируют поток отработавших газов, поступающих из турбины 8 турбокомпрессора 9. После пуска двигателя продолжают дросселировать поток отработавших газов, поступающих из турбины 8 турбокомпрессора 9, и направляют часть этого потока через теплообменник 12 на вход в компрессор 1. По завершении прогрева после пуска двигателя направляют часть выпускных газов через теплообменник 12 к впускному клапану 5 двигателя и при этом производят дросселирование потока воздуха, поступающего от компрессора 1. На режимах малой нагрузки при средней и меньшей частоте вращения вала двигателя подают выпускные газы через теплообменник 12 к впускному клапану 5 двигателя. На режимах средней нагрузки при всех частотах вращения вала двигателя, а также на режимах большой и малой нагрузки при высокой частоте вращения вала двигателя подают выпускные газы через теплообменник 12 на вход компрессора 1. На режимах большой нагрузки при средней и меньшей частоте вращения вала двигателя подают отработавшие газы с выхода турбины 8 через теплообменник 12 на вход компрессора 1.
При таком способе управления двигателем, при котором обеспечивается возможность прохождения рециркулирующих газов через общий для всех контуров рециркуляции теплообменник, сокращаются выбросы вредных веществ и расход топлива на холодном двигателе в режиме ускоренного прогрева двигателя после его пуска и снижаются выбросы оксидов азота на прогретом двигателе.