Двухконтурная система рециркуляции отработавших газов двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом
DOUBLE-CIRCUIT GAS RECIRCULATION SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH GAS TURBINE SUPERCHARGING

Изобретение относится к двигателестроению, в частности системе рециркуляции части отработавших газов (ОГ) по двухконтурной схеме, которая используется в соответствии с предполагаемым изобретением, а также к системе регулирования рециркуляции дизельного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с газотурбинным наддувом, где рециркулирующие газы отводятся из выпускной системы (ДВС) транспортного средства через двухконтурную систему рециркуляции отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом во впускной патрубок турбокомпрессора.
Турбонаддув является основным средством увеличения крутящего момента и мощности двигателя внутреннего сгорания. Рециркуляция выхлопных газов является распространенным средством для повышения качества отработавших газов, т.е. снижения содержания оксидов азота и других вредных веществ в отработавших газах. При комбинировании рециркуляции отработавших газов по внешнему контуру, т.е. при направлении некоторой части выпускных газов из выпускного коллектора двигателя во впускной коллектор двигателя с турбонаддувом, необходимо увеличивать давление выпускных газов, рециркулирующих во впускной коллектор, до уровня давления, который, по меньшей мере, является таким же, как уровень давления наддувочного воздуха во впускном коллекторе.
В обычных системах, реализующих регулирование заданных параметров содержания оксидов азота в дизельном двигателе, осуществляют рециркуляцию части отработавших газов из выпускной системы транспортного средства на вход компрессора турбокомпрессора и регулируют подачу свежего воздуха и рециркулирующих отработавших газов в дизельный двигатель посредством конструкции двухконтурной системы рециркуляции отработавших газов, работа которой регулируется согласованной работой двухпозиционных и многопозиционных заслонок, управляемых электронным блоком управления.
x
x
Для того чтобы уменьшить содержание выбросов вредных веществ отработавших газов, в особенности, оксидов азота (NO), системы рециркуляции отработавших газов используются в течение многих лет во многих типах двигателей внутреннего сгорания. Такие системы дают возможность осуществить рециркуляцию части отработавших газов в систему впуска двигателя, где они смешиваются со впускаемым воздухом и подаются далее в камеру сгорания двигателя. Рециркулирующие отработавшие газы замещают часть впускаемого воздуха и снижают содержание NO в отработавших газах автомобиля.
В управляющее устройство подают информацию с датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя и датчика нагрузки двигателя для того, чтобы регулировать соотношение воздух/топливо в двигателе внутреннего сгорания.
Известна система рециркуляции отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, представленная в патенте США US 7979196 В2, заявитель CATERPILLAR INC, опубл. 12.07.2011 г.„ где рециркуляцию отработавших газов осуществляют по внешнему контуру, с отбором рециркулирующих газов после сажевого фильтра и системы обработки отработавших газов, подвод рециркулирующих газов осуществляется через теплообменник на вход компрессора турбокомпрессора. Такая одноконтурная схема сужает возможности и понижает эффективность использования системы двигателя из-за недостаточности рециркуляционных перепадов и высоких температур газов при рециркуляции газов по рециркуляционному контуру. Одноконтурная система эффективна только на режиме полной нагрузки, когда велик рециркуляционный перепад давлений на режимах высоких нагрузок и частот вращения. При режимах работы двигателя на малой нагрузке и на малых частотах вращения, из-за недостаточности рециркуляционных перепадов и высоких температур рециркулирующих газов, особенно в газовых двигателях, эффективность работы системы рециркуляции отработавших газов крайне низка.
Аналогом представленного технического решения системы рециркуляции отработавших газов двигателя является патент США № US 6899090 В2, заявители ARNOLD STEVEN DON, HONEYWELL INTERNATIONAL, INC, опубл. 31.05.2005 г., где рециркуляцию отработавших газов осуществляют по внешнему контуру, с отбором рециркулирующих газов после сажевого фильтра и других компонентов системы последующей обработки отработавших газов. Такая схема сужает возможности и понижает эффективность использования системы двигателя из-за недостаточности рециркуляционных перепадов на режимах низких и средних нагрузок и частот вращения. Одноконтурная система эффективна только на режимах полной нагрузки и высоких частот вращения двигателя, когда велик рециркуляционный перепад давлений. На других режимах работы двигателя система рециркуляции отработавших газов, представленная в данном патенте, малоэффективна.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является система рециркуляции отработавших газов двигателя внутреннего сгорания с двумя контурами рециркуляции газов, представленный в патенте США № US 9624874 В2, заявитель DOOSAN INFRACORE CO., LTD опубл. 18.04.2017 г., где рециркуляцию отработавших газов осуществляют по внешнему контуру, но с отбором рециркулирующих газов после выхода турбины турбокомпрессора и до системы последующей обработки отработавших газов. При работе двигателя на частичных нагрузках (низкие частоты вращения и малые и средние нагрузки) эффективность системы рециркуляции крайне низка из-за ограниченного расхода наддувочного воздуха. Внутренний межколлекторный канал системы рециркуляции выпускных газов с собственным теплообменником охлаждения используется на режимах низких частотах вращения и малых и средних нагрузок, когда нагнетание воздуха во впускной коллектор двигателя с помощью турбокомпрессора незначительно.
Высоконагруженные ДВС транспортных средств ТС, использующие природный газ в виде топлива работают на всех эксплуатационных режимах при значениях коэффициента избытка воздуха в 1,5…5 раз меньших по сравнению с таковыми у дизельных двигателей. В результате температура отработавших газов у первых на 150°…300 выше, чем у вторых. В изобретении, принятым за прототип, схема прохождения рециркулирующих газов, состоящая из внешнего и внутреннего межколлекторного контуров прохождения рециркулирующих газов с собственными средствами их охлаждения на каждом из контуров и общей системой охлаждения для основного рециркуляционного канала, описанная в прототипе, бессмысленна в случае применения высоконагруженных ТС, т.к. эффективность работы внутреннего межколлекторного контура близка к нулю из-за низкого рециркуляционного перепада, а внешний контур рециркуляции выполняет функцию подачи охлажденных выпускных газов во впускной коллектор двигателя только на режимах полной нагрузки и высоких оборотов двигателя, что является причиной невозможности эффективной работы системы на всех режимах работы двигателя.
2
2
x
Система двигателя внутреннего сгорания с выпускной системой транспортного средства и рециркуляцией по контуру образуют систему рециркуляции двигателя. Система рециркуляции отработавших газов по внешнему контуру, возвращает часть отработавших газов в цилиндры дизельного двигателя внутреннего сгорания. Увеличение доли трехатомных газов (СО, НО) повышает теплоемкость заряда, что приводит к снижению температуры сгорания и снижению количества оксидов азота NO в отработавших газах.
Задачей предполагаемого изобретения является повышение эффективной работы системы рециркуляции отработавших газов на всех режимах работы двигателя, при этом достигаются следующие технические результаты: сокращение выбросов оксидов азота, углеводородов, взвешенных частиц и улучшение топливной экономичности путем расширения возможностей диапазона использования рециркуляции отработавших газов по внешнему контуру на всех режимах работы двигателя, при этом повышается эффективность работы системы двигателя, ее компактность, долговечность теплообменника рециркулирующих газов.
Указанная техническая задача решается тем, что двухконтурная система рециркуляции отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, содержит связанные трубопроводами средства регулирования газообмена отработавших газов ДВС и поступающего в двигатель воздуха, электронный блок управления средствами регулирования газообмена, турбокомпрессор, блок обработки ОГ, расположенный в выпускном тракте после турбокомпрессора, и два контура рециркуляции отработавших газов, сообщенные с теплообменником охлаждения рециркулирующих газов, причем система снабжена средствами регулирования газообмена в виде, по меньшей мере, трех многопозиционных и двух двухпозиционных заслонок, две многопозиционных заслонки размещены на выпускном тракте, а третья - в основном рециркуляционном канале, вход первичного контура рециркуляции ОГ расположен после блока обработки ОГ, до второй многопозиционной заслонки, а выход первичного контура рециркуляции ОГ сообщен с основным рециркуляционным каналом с возможностью регулирования первой двухпозиционной заслонкой, вход вторичного контура рециркуляции ОГ расположен после турбины турбокомпрессора до первой многопозиционной заслонки и до блока обработки ОГ, а выход вторичного контура рециркуляции ОГ сообщен с основным рециркуляционным каналом с возможностью регулирования его второй двухпозиционной заслонкой, причем основной рециркуляционный канал сообщен с впускным трактом с возможностью регулирования третьей многопозиционной заслонкой.
Технический результат достигается в результате создания двухконтурной многорежимной системы рециркуляции отработавших газов по каждому контуру, путем совмещения участков контуров рециркуляции для обеспечения возможности прохождения рециркулирующих газов через общий для всех контуров рециркуляции теплообменник охлаждения рециркулирующих газов.
При неработающем двигателе или пуске газового двигателя на режимах холостого хода оба контура рециркуляции газов блокируются, все двухпозиционные и третья многопозиционная заслонки закрыты.
На режимах малых и средних нагрузок при малых и средних частотах вращения газового и дизельного двигателей работает второй малый контур рециркуляции газов с отбором рециркулирующих газов до блока обработки ОГ системы очистки отработавших газов. Рециркулирующие газы на этих режимах при повышенных, относительно первого контура, рециркуляционных перепадах, поступают с выхода турбины через второй малый контур рециркуляции газов на вход компрессора и далее в ДВС. Повышенные перепады давления рециркулирующих газов достигаются путем соответствующего промежуточного положения многопоозиционных заслонок, которое задается с помощью сигнала, поступающего с электронного блока управления.
На режимах высоких нагрузок при высоких частотах вращения дизельного и газового двигателей, т.е. при высоких расходах воздуха, работает первый, большой контур рециркуляции газов, что позволяет обеспечивать подачу достаточного объема рециркуляционных газов с высокой эффективностью при большом расходе топливо-воздушной смеси.При этом с выхода блока обработки ОГ системы последующей обработки рециркулирующих отработавших газов отбираются полностью очищенные рециркулирующие газы, что позволяет достичь дополнительного технического результата, который заключается в том, что продлевается срок службы и эффективной работы общего для двух контуров теплообменника охлаждения рециркулирующих газов, расположенного на основном рециркуляционном канале.
Описание поясняется чертежами.
На фигуре 1 показана система двигателя с расположением ее заслонок в первой позиции.
На фигуре 2 показана система двигателя с расположением ее заслонок во второй позиции.
На фигуре 3 показана система двигателя с расположением ее заслонок в третьей позиции.
На фигуре 4 показаны схематически электрические связи устройств управления, задающих режим работы электронного блока управления и всех заслонок.
Двухконтурная система рециркуляции отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом содержит связанные трубопроводами средства регулирования газообмена отработавших газов ДВС и поступающего в двигатель воздуха, электронный блок 1 управления средствами регулирования газообмена, турбокомпрессор 2, блок 3 обработки ОГ, расположенный в выпускном тракте 4 после турбокомпрессора 2, и два контура рециркуляции отработавших газов, первичный контур 5 рециркуляции отработавших газов и вторичный контур 6 рециркуляции отработавших газов, сообщенные с теплообменником 7 охлаждения рециркулирующих газов.
Причем система снабжена средствами регулирования газообмена в виде, по меньшей мере, трех многопозиционных 8, 9 и 10 и двух 11 и 12 двухпозиционных заслонок, две многопозиционных заслонки первая 8 и вторая 9 размещены на выпускном тракте 4, а третья 10 в основном рециркуляционном канале 16. Вход 13 первичного контура 5 рециркуляции ОГ расположен после турбины 14 турбокомпрессора 2 и после блока 3 обработки ОГ, до второй многопозиционной заслонки 9, а выход 15 первичного контура 5 рециркуляции ОГ сообщен с основным рециркуляционным каналом 16 с возможностью регулирования его первой двухпозиционной заслонкой 11, вход 17 вторичного контура 6 рециркуляции ОГ расположен после турбины 14 турбокомпрессора 2 до первой многопозиционной заслонки 8 и до блока 3 обработки ОГ, а выход 18 вторичного контура 6 рециркуляции ОГ сообщен с основным рециркуляционным каналом 16 с возможностью регулирования второй двухпозиционной заслонкой 12 причем основной рециркуляционный канал сообщен с впускным трактом 19 с возможностью регулирования третьей многопозиционной заслонкой 10.
Взаимодействие и порядок работы заслонок в системе рециркуляции отработавших газов двигателя осуществляется следующим образом.
Следует отметить, что работа всех заслонок на всех режимах регулируется электронным блоком 1 управления и зависимость положения многопозиционных заслонок, обеспечивающих оптимальную подачу ОГ на рециркуляцию не является предметом защиты в данном предложении и не входит в объем данной заявки, а представляется как ноу-хау и предмет другой заявки на способ контроля и работы двухконтурной системы рециркуляции отработавших газов.
Газовый ДВС может иметь во впускном тракте четвертую многопозиционную заслонку для регулирования поступающего воздуха.
На ряде режимов, например, при неработающем двигателе или при пуске газового двигателя оба контура рециркуляции газов блокируются, для этого многопозиционная заслонка 10, двухпозиционные заслонки 11 и 12 становятся положение закрыто (см. Фиг. 1). Первая 8 и вторая 9 многопозиционные заслонки, установленные в системе для создания усиленных перепадов давления для рециркуляции, либо полностью обе открыты, либо заслонка 8 или 9, позиционируется в промежуточном положении в зависимости от условий пуска (Фиг. 1).
На режимах пуска и прогрева газового или дизельного двигателей первая двухпозиционная заслонка 11 полностью закрыта, а вторая двухпозиционная заслонка 12 и вторая многопозиционная заслонка 9 полностью открыты. Соответственно многопозиционные заслонки первая 8 и третья 10 находятся в одном из средних позиционируемых положений в зависимости от условий пуска и прогрева двигателя (Фиг. 2).
На режимах малых и средних нагрузок при малых и средних частотах вращения газового или дизельного двигателей работает вторичный малый контур 6 рециркуляции газов (Фиг. 2). Вторая двухпозиционная заслонка 12 и вторая многопозиционная заслонка 9 полностью открыты, а первая двухпозиционная заслонка 11 полностью закрыта. Многопозиционные заслонки третья 10 и первая 8 для усиления рециркуляционного перепада находятся в одном из необходимых средних позиционируемых положений. При этом рециркулирующие газы с повышенным содержанием углеводородов на этих режимах поступают с выхода турбины 14 на вход компрессора 20 через вторую двухпозиционную заслонку 12, основной рециркуляционный канал 16, третью многопозиционную заслонку 10, теплообменник охлаждения 7 рециркулирующих газов во впускной тракт 19 при повышенных относительно первичного контура 5 рециркуляционных перепадах и снижении выбросов оксидов азота.
На режимах высоких нагрузок при высоких частотах вращения газового или дизельного двигателей, т.е. при высоких расходах воздуха работает первый, большой контур 6 рециркуляции газов (фигура 3). Первая двухпозиционная заслонка 11 и первая многопозиционная заслонка 8 полностью открыты, при этом вторая двухпозиционная заслонка 12 полностью закрыта. Третья многопозиционная заслонка 10 и вторая многопозиционная 9 находятся в одном из позиционируемых положений в зависимости от условий работы двигателя. При этом со входа 13 первичного контура 5 рециркуляции ОГ после блока 3 обработки ОГ системы последующей обработки отработавших газов отбираются полностью очищенные рециркулирующие газы, что продлевает срок службы эффективной работы теплообменника 7 охлаждения рециркулирующих газов.
Позиционирование всех заслонок отслеживают по сигналам с датчиков положения их электропневматических приводов и осуществляют электронным блоком управления 1, в зависимости от сигналов с датчиков частоты вращения коленчатого вала двигателя, нагрузки, детонации, температуры охлаждающей жидкости, расхода воздуха, давления и температуры наддувочного воздуха, которые широко известны и обычно входят в современную комплектацию двигателя, а на чертежах условно не показаны.
Таким образом, создание двухконтурной системы рециркуляции отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, которая содержит связанные трубопроводами средства регулирования газообмена отработавших газов ДВС и поступающего в двигатель воздуха, электронный блок управления средствами регулирования газообмена, турбокомпрессор, блок обработки ОГ, расположенный в выпускном тракте после турбокомпрессора, и два контура рециркуляции отработавших газов, сообщенные с теплообменником охлаждения рециркулирующих газов, причем система снабжена средствами регулирования газообмена в виде, по меньшей мере, трех многопозиционных и двух двухпозиционных заслонок, две многопозиционных заслонки размещены в выпускном тракте, а третья - в основном рециркуляционном канале, вход первичного контура рециркуляции ОГ расположен после блока обработки ОГ, до второй многопозиционной заслонки, а выход первичного контура рециркуляции ОГ сообщен с основным рециркуляционным каналом с возможностью регулирования первой двухпозиционной заслонкой, вход вторичного контура рециркуляции ОГ расположен после турбины турбокомпрессора до первой многопозиционной заслонки и до блока обработки ОГ, а выход вторичного контура рециркуляции ОГ сообщен с основным рециркуляционным каналом с возможностью регулирования его второй двухпозиционной заслонкой, причем основной рециркуляционный канал сообщен с впускным трактом с возможностью регулирования третьей многопозиционной заслонкой, позволяет достичь новых технических результатов, описанных ниже.
Снабжение двухконтурной системы рециркуляции отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом многопозиционной заслонкой, распложенной в одном первичном рециркуляционном канале перед двухпозиционной заслонкой и после блока обработки ОГ основной системы последующей обработки ОГ, и - двухпозиционной заслонкой в другом вторичном рециркуляционном канале, двумя многопозиционными заслонками - усилителями рециркуляционных перепадов до необходимых оптимальных пределов в обоих контурах рециркуляции после каждого места отбора рециркулирующих газов, обеспечивает повышение эффективности использования энергии рециркулирующих газов в каждом из двух контуров рециркуляции, а совмещение участков контуров рециркуляции при прохождении рециркулирующих газов через общий для всех контуров рециркуляции теплообменник охлаждения рециркулирующих газов, обеспечивает их эффективное охлаждение, повышающее массовое наполнение рабочих объемов, что позволяет повысить эффективность системы рециркуляции на всех режимах работы и компактность взаимного расположения частей системы рециркуляции.
В результате такого усовершенствования повышается эффективность работы двухконтурной системы рециркуляции отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, ее компактность, долговечность теплообменника охлаждения рециркулирующих газов, сокращаются выбросы оксидов азота и взвешенных частиц углеводородов в атмосферу и улучшается топливная экономичность двигателя.
При неработающем двигателе или пуске газового двигателя и на режимах холостого хода оба контура рециркуляции газов блокируются, все заслонки закрыты.
На режимах малых и средних нагрузок при малых и средних частотах вращения газового и дизельного двигателей работает второй малый контур рециркуляции газов с отбором рециркулирующих газов до блока обработки ОГ. Рециркулирующие газы на этих режимах при повышенных, относительно первого контура, рециркуляционных перепадах, поступают с выхода турбины и далее через второй малый контур рециркуляции газов на вход компрессора. Повышенные перепады давления рециркуляционных газов достигаются путем соответствующего промежуточного положения многопозиционных заслонок, которое задается с помощью сигнала, поступающего с электронного блока управления.
На режимах высоких нагрузок и при высоких частотах вращения дизельных и газовых двигателей, т.е. при высоких расходах воздуха работает первый, большой контур рециркуляции газов, что позволяет обеспечивать подачу достаточного объема рециркуляционных газов с высокой эффективностью при большом расходе топливо-воздушной смеси. При этом дополнительно с выхода блока обработки ОГ системы последующей обработки отработавших газов отбираются полностью очищенные рециркулирующие газы в увеличенном количестве, которые выносят накопившиеся в теплообменнике охлаждения рециркулирующих газов загрязнения, что позволяет достичь дополнительного технического результата, который заключается в том, что продлевается срок службы и эффективной работы общего для двух контуров теплообменника охлаждения рециркулирующих газов, расположенного на основном рециркуляционном канале.