СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
OPERATING METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE, INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для повышения эффективности работы двигателей внутреннего сгорания на долевых режимах с частичной нагрузкой и холостом ходу, а также при резкопеременных нагрузках и перегрузках.
Из предшествующего уровня развития техники известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, предусматривающий подачу в цилиндры двигателя на переходных режимах работы дополнительного кислорода (окислителя) и дополнительного рабочего тела, получаемого путем сжигания топлива, а также подкрутку ротора турбокомпрессора обратимой электрической машиной. Причем на предпусковых режимах за счет сжигания топлива в электрофакельном устройстве на впуске производят предпусковой подогрев двигателя с одновременной подзарядкой стартерных батарей от обратимой электрической машины, приводимой во вращение турбокомпрессором (см. RU 2231660, опубл. 27.06.2004, Бюл. №18).
Недостатки данного способа работы и двигателя внутреннего сгорания:
1. Низкая эффективность работы на долевых режимах с частичной нагрузкой и на холостом ходу ввиду отсутствия возможностей по полезной догрузке двигателя и рециркуляции отработавших газов с выпуска на всасывание.
2. Малая эффективность работы двигателя на переходных режимах работы с резкопеременной нагрузкой и при перегрузках ввиду ограниченных возможностей по подкрутке ротора и повышению степени сжатия турбокомпрессора, а также ограниченности резервных источников и средств аккумулирования энергии.
3. Ограниченность запаса и взрывоопасность использования дополнительного окислителя, в качестве которого применен сжатый в емкости высокого давления кислород.
4. Неблагоприятные физико-химические и термодинамические характеристики дополнительного рабочего тела, подаваемого в цилиндры двигателя при набросах нагрузки. В качестве дополнительного рабочего тела используют высокотемпературные продукты сгорания топлива и смеси воздуха с кислородом. Малая плотность высокотемпературной газовой смеси не позволяет разместить в цилиндрах двигателя достаточное количество рабочего тела. Несовершенство процессов смесеобразования и сгорания в электрофакельном устройстве может привести к местному переобогащению рабочей смеси кислородом либо продуктами неполного сгорания топлива (сажей), что влечет за собой опасность отложений и последующих взрывов во впускном коллекторе, нарушений рабочего процесса двигателя, загрязнения деталей цилиндропоршневой группы и газовоздушных трактов.
5. Ограниченные мощностью турбокомпрессора возможности по электроснабжению потребителей.
6. Низкая экономичность ввиду отсутствия утилизации теплоты отработавших газов.
Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ работы двигателя внутреннего сгорания, двигатель внутреннего сгорания (RU патент №2265739, опублик. 10.12. 2005 г., Бюл. №34) - прототип изобретения, представляющий собой способ работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска сжатого воздуха, его сжатия, впрыска и сгорания топлива, выпуска отработавших газов, подачи в переходных режимах дополнительного рабочего тела, в котором степень сжатия воздуха в переходных режимах увеличивают, подкручивая ротор турбокомпрессора, а на переходных режимах пуска и поддержания двигателя в «горячем резерве» перед подачей топлива и сжатого воздуха в цилиндры двигатель прогревают. Ротор турбокомпрессора подкручивают в переходных режимах паром, образованным за счет теплоты отработавших газов в теплообменнике, установленном на выпуске двигателя, и дополнительным рабочим телом, получаемым путем сжигания на выпуске двигателя перед теплообменником смеси воздуха из воздушной емкости и отработавших газов двигателя. Коленчатый вал двигателя в переходных режимах и работе с перегрузкой подкручивают электрической машиной, питающейся от аккумуляторной батареи через преобразователь частоты и напряжения. При этом в качестве дополнительного рабочего тела, подаваемого на впуск двигателя, используют сжатый воздух из емкости с его запасом, который пополняют посредством электрокомпрессора. В отработавшие газы двигателя на переходных режимах и при работе на малых нагрузках вводят дополнительное рабочее тело - теплоноситель, приготавливаемое путем сжигания на выпуске двигателя перед теплообменником смеси топлива, подаваемого под давлением из емкости с его запасом, и смеси воздуха из воздушной емкости, а также отработавших газов двигателя. Подзарядку аккумуляторных батарей проводят от термоэлектрогенератора, встроенного в теплообменник, а их зарядку производят при работе двигателя на малых нагрузках от электрической машины через преобразователь частоты и напряжения. На всех эксплуатационных режимах предусматривают подачу потребителям электроэнергии от преобразователя частоты и напряжения, а также пара от теплообменника.
При несомненных достоинствах данного способа он имеет низкую эффективность работы двигателя, ограниченные функциональные возможности и область его применения, обусловленные ограниченными возможностями по обеспечению надежной, экономичной, длительной и эффективной работе двигателя на переходных режимах пуска и изменения нагрузки, при работе на малых нагрузках и перегрузках, дополнительного электроснабжения и теплоснабжения потребителей в процессе работы двигателя.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности работы двигателя, расширении его функциональных возможностей и области применения за счет достижения следующих полезных технических результатов:
обеспечиваются возможности по надежной, экономичной, длительной и эффективной работе двигателя на переходных режимах пуска и изменения нагрузки, при работе на малых нагрузках и перегрузках, дополнительному электроснабжению и теплоснабжению потребителей в процессе работы двигателя.
Сущность изобретения, обеспечивающая достижение указанных технических результатов, заключается в следующем.
В способе работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска сжатого воздуха, его сжатия, впрыска и сгорания топлива, выпуска отработавших газов, подачи в переходных режимах на его впуск дополнительного рабочего тела по управляющему сигналу, формируемому по моменту достижения максимальной подачи топлива на заданном режиме, при этом в качестве дополнительного рабочего тела, которое подают на впуск двигателя, используют сжатый воздух из емкости с его запасом, который пополняют посредством электрокомпрессора, коленчатый вал двигателя в переходных режимах и работе с перегрузкой подкручивают электрической машиной, на которую подают электропитание от аккумуляторной батареи через преобразователь частоты и напряжения, ротор турбокомпрессора в переходных режимах подкручивают паром, образованном за счет теплоты отработавших газов двигателя и дополнительным рабочим телом, которое получают путем сжигания на выпуске двигателя перед теплообменником смеси топлива, отработавших газов и дополнительной газовой смеси, а на переходных режимах пуска и поддержания двигателя в «горячем резерве» перед подачей топлива и сжатого воздуха в цилиндры двигатель прогревают путем нагрева его охлаждающей жидкости дополнительным рабочим телом-теплоносителем, при этом подзарядку аккумуляторных батарей проводят от термоэлектрогенератора, встроенного в теплообменник, а их зарядку производят при работе двигателя на малых нагрузках от электрической машины, кинематически связанной с валом двигателя, через преобразователь частоты и напряжения, при этом на всех эксплуатационных режимах предусматривают подачу потребителям электроэнергии от преобразователя частоты и напряжения, а также пара от теплообменника, на переходных режимах ротор турбокомпрессора дополнительно подкручивают вспомогательной электрической машиной, которая кинематически связана с турбокомпрессором и получает электропитание от аккумуляторной батареи через вспомогательный преобразователь частоты и напряжения, при этом пар, который подают в турбину на переходных режимах для подкрутки вала турбокомпрессора, получают путем нагрева воды в теплообменнике отработавшими газами турбины турбокомпрессора и испарения воды, подаваемой в выпускной тракт двигателя перед турбиной, причем в качестве дополнительной газовой смеси, подаваемой на выпуск двигателя в переходных режимах вызванных изменением нагрузки и при перегрузках используют рабочую смесь (воздух), поступающую на его впуск, а дополнительное рабочее тело-теплоноситель, используемое для прогрева двигателя перед пуском и при поддержании двигателя в горячем резерве готовят путем сжигания на входе перед турбиной смеси топлива и рабочей смеси (воздуха), подаваемого из впускного трубопровода двигателя, причем на режимах прогрева подачу дополнительного рабочего тела (сжатого воздуха) в рабочую смесь а также раскрутку вала турбокомпрессора электрической машиной производят на период его раскрутки и начала работы на дополнительном рабочем теле-теплоносителе, при этом дополнительно подзарядку аккумуляторной батареи производят от термоэлектрогенератора, который устанавливают в месте подачи воды на выпуск двигателя, а также от вспомогательной электрической машины, кинематически связанной с турбокомпрессором, на малых нагрузках часть отработавших газов направляют на впуск двигателя, а воду из отработавших газов отделяют и отводят в теплообменник, при этом на всех эксплуатационных режимах предусматривают подачу электроэнергии от электрической машины напрямую потребителям.
Для реализации указанного способа двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по крайней мере, один цилиндр с размещенным в нем поршнем, кинематически связанным с валом, впускной трубопровод, выпускной трубопровод, магистраль подачи углеводородного топлива в цилиндры, снабженная топливным насосом высокого давления с датчиком максимальной подачи топлива, турбокомпрессор, у которого вход компрессора связан с атмосферой, а выход с впуском двигателя, первый вход турбины соединен с выпуском двигателя через электрофакельное устройство, снабженное электрозапальным устройством, а второй вход соединен с паровой частью кожухотрубного теплообменника через электроклапан подачи пара, емкость высокого давления с запасом сжатого воздуха, соединенную через электроклапан подачи сжатого воздуха с впуском двигателя, через воздушный компрессор с электроприводом с атмосферой и напрямую с газовой частью емкости с запасом топлива, жидкостная часть которой соединена с электрофакальным устройством через электроклапан подачи топлива, электрическую машину, кинематически связанную с двигателем и соединенную через преобразователь частоты и напряжения с аккумуляторной батареей и с потребителями электроэнергии, причем преобразователь частоты и напряжения связан с потребителями электрической энергии, а аккумуляторная батарея связана с термоэлектрогенератором кожухотрубного теплообменника и устройством управления, управляющие входы которого соединены с датчиком предельного положения рейки ТНВД, датчиком температуры двигателя, датчиком активного тока преобразователя частоты и напряжения и датчиком давления сжатого воздуха емкости высокого давления, а управляющие выходы с электроклапаном подачи сжатого воздуха на впуск двигателя, электроклапаном подачи топлива, электроклапаном подачи газовой смеси в электрофакельное устройство, электроклапаном подачи пара, электроприводом компрессора, электрозапальным устройством, и преобразователем частоты и напряжения, дополнительно содержит вспомогательную электрическую машину, кинематически связанную с турбокомпрессором и соединенную через вспомогательный преобразователь частоты и напряжения с аккумуляторной батареей, электроклапан подачи воды в электрофакельное устройство, соединяющий его с жидкостной частью кожухотрубного теплообменника, сепаратор - влагоотделитель, у которого газовый выход соединен с атмосферой, жидкостной выход с жидкостным входом кожухотрубного теплообменника, а газовый вход соединен с выходом турбины турбокомпрессора через кожухотрубный теплообменник, при этом электроклапан подачи газовой смеси в электрофакельное устройство соединяет его с впуском двигателя, а устройство управления по управляющим входам дополнительно связано с датчиком частоты вращения коленчатого вала двигателя, датчиком переменного тока и датчиком частоты вращения турбокомпрессора, по управляющим выходам дополнительно соединено с клапаном подачи воды в электрофакельное устройство, вспомогательным преобразователем частоты и напряжения, электронагревательным устройством установленном в жидкостной части кожухотрубного теплообменника и электрической машиной, при этом аккумуляторная батарея связана с термоэлектрогенератором электрозапального устройства.
Обозначенная сущность изобретения связана с достижением заявленного технического результата следующим образом соответственно.
1. Введение в известный способ работы двигателя внутреннего сгорания новых взаимосвязанных действий: на переходных режимах ротор турбокомпрессора дополнительно подкручивают вспомогательной электрической машиной, которая кинематически связана с турбокомпрессором и получает электропитание от аккумуляторной батареи через вспомогательный преобразователь частоты и напряжения, при этом пар, который подают в турбину на переходных режимах для подкрутки вала турбокомпрессора, получают путем нагрева воды в теплообменнике отработавшими газами турбины турбокомпрессора и испарения воды, подаваемой в выпускной тракт двигателя перед турбиной, причем в качестве дополнительной газовой смеси, подаваемой на выпуск двигателя в переходных режимах вызванных изменением нагрузки и при перегрузках используют рабочую смесь (воздух), поступающую на его впуск, а дополнительное рабочее тело-теплоноситель, используемое для прогрева двигателя перед пуском и при поддержании двигателя в горячем резерве готовят путем сжигания на входе перед турбиной смеси топлива и рабочей смеси (воздуха), подаваемого из впускного трубопровода двигателя, причем на режимах прогрева подачу дополнительного рабочего тела (сжатого воздуха) в рабочую смесь а также раскрутку вала турбокомпрессора электрической машиной производят на период его раскрутки и начала работы на дополнительном рабочем теле-теплоносителе, при этом дополнительно подзарядку аккумуляторной батареи производят от термоэлектрогенератора, который устанавливают в месте подачи воды на выпуск двигателя, а также от вспомогательной электрической машины, кинематически связанной с турбокомпрессором, на малых нагрузках часть отработавших газов направляют на впуск двигателя, а воду из отработавших газов отделяют и отводят в теплообменник, при этом на всех эксплуатационных режимах предусматривают подачу электроэнергии от электрической машины напрямую потребителям позволяет обеспечить возможности по надежной, экономичной, длительной и эффективной работе двигателя на переходных режимах пуска и изменения нагрузки, при работе на малых нагрузках и перегрузках, дополнительному электроснабжению и теплоснабжению потребителей в процессе работы двигателя.
2. Повышение эффективности работы двигателя, расширение его функциональных возможностей и области применения достигаются за счет обеспечения возможностей по надежной, экономичной, длительной и эффективной работе двигателя на переходных режимах пуска и изменения нагрузки, при работе на малых нагрузках и перегрузках, дополнительному электроснабжению и теплоснабжению потребителей в процессе работы двигателя (см.п.1.).
На чертеже, поясняющем изобретение, представлена принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания, реализующего данный способ работы.
Схема включает в себя двигатель 1 с системами и механизмами, обеспечивающими процесс сгорания топлива, блочный плунжерный насос ТНВД 2, установленный на остове двигателя 1 и снабженный рейкой 3, датчик предельного положения рейки ТНВД (микропереключатель) 4, емкость 5 высокого давления с запасом окислителя (воздуха), компрессор 6 и турбину 7 турбокомпрессора, кожухотрубный теплообменник 8 со встроенным термоэлектрогенератором, электрофакельное устройство 9, емкость с запасом топлива 10, электрическую машину 11, воздушный компрессор 12 с электроприводом 13, управляющее устройство 14, накопитель электроэнергии (аккумуляторную батарею) 15, преобразователь частоты и напряжения 16, датчик температуры 17, датчик электрической нагрузки (активного тока) 18, электроклапан 19 подачи дополнительного рабочего тела (воздуха) на впуск двигателя, электроклапан 20 подачи газовой смеси в электрофакельное устройство, электроклапан 21 подачи топлива в электрофакельное устройство, электроклапан 22 подачи пара в турбину турбокомпрессора, электрозапальное устройство 23, датчик давления воздуха 24, электрическая машина турбокомпрессора 25, преобразователь частоты и напряжения турбокомпрессора 26, электроклапан подачи воды в электрофакельное устройство 27, сепаратор-влагоотделитель 28, электронагреватель 29, термоэлектронагреватель электрозапального устройства 30, датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя 31, датчик частоты переменного тока 32 и датчик частоты вращения турбокомпрессора 33.
По сравнению с прототипом схема предлагаемого технического решения имеет следующие особенности:
1. Двигатель дополнительно оснащен электрической машиной 25 и преобразователем частоты и напряжения 26 турбокомпрессора, соединенных с аккумуляторной батареей 15, что позволяет значительно улучшить динамические характеристики и энергетические возможности как турбокомпрессора, так и двигателя в целом.
2. Электроклапан подачи дополнительного рабочего тела 20 в электрофакельное устройство 9 установлен таким образом, что позволяет на долевых и переходных режимах осуществить рециркуляцию части отработавших газов с выпуска на всасывание.
3. Кожухотрубный теплообменник 8 установлен по ходу движения отработавших газов после турбины 7 турбокомпрессора. Данное техническое решение позволяет значительно улучшить динамические и энергетические характеристики двигателя на переходных режимах работы, использовать высокотемпературную газовую (парогазовую) смесь, выходящую из электрофакельного устройства 9 для подкрутки ротора турбокомпрессора, повысить уровень утилизации в теплообменнике теплоты отработавших газов двигателя и расширить возможности по теплоснабжению потребителей.
4. Установка по ходу движения отработавших газов двигателя после теплообменника 8 сепаратора - влагоотделителя 28 позволяет значительно сократить унос воды с отработавшими газами и в связи с этим значительно сократить ее запас и потребности в его пополнении.
5. Установка в кожухотрубном теплообменнике 8 электронагревательного устройства 29 позволяет полезно догрузить двигатель на долевых режимах работы и расширить возможности по теплоснабжению потребителей.
6. Предусмотренная в заявляемом техническом решении подача на ряде режимов воды в электрофакельное устройство 9, благодаря наличию большого температурного перепада, позволяет установить в нем термоэлектрогенератор 30, обладающий по сравнению со встроенным в теплообменник 8 термоэлектрогенератором лучшими динамическими характеристиками (быстродйствием) и энергетическими возможностями (мощностью).
7. В заявляемом техническом решении, в отличие от прототипа, предусмотрена подача вырабатываемой двигателем электроэнергии не только от преобразователя частоты и напряжения 16 но и непосредственно от электрической машины 11, что позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели двигателя за счет уменьшения установленной мощности преобразователя 16, улучшения динамических характеристик двигателя, повышения его энергетических возможностей и перегрузочной способности.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
По команде на запуск двигателя управляющее устройство 14 подает сигнал на открытие клапанов 19, 20 и 21, а также на импульсное включение электрозапального устройства 23. При этом топливовоздушная смесь воспламеняется и сгорает в электрофакельном устройстве 9.
Высокотемпературные отработавшие газы (ОГ) из электрофакельного устройства 9 поступают в теплообменник 8 и далее через турбину 7 в атмосферу. При этом часть тепловой энергии от ОГ передается через теплообменник 8 в систему охлаждения двигателя для его предпускового прогрева. Предпусковой прогрев двигателя может быть произведен путем подачи в двигатель горячей воды или пара из корпуса теплообменника 8. Одновременно при необходимости производится подзарядка аккумуляторной батареи 15 от встроенного в теплообменник 8 термоэлектрического генератора и термоэлектрического генератора 30 электрофакельного устройства. 9, производящих прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. После прогрева двигателя 1 и достижения требуемой для надежного запуска и включения под нагрузку температуры электрофакельное устройство 9 отключают путем закрытия электроклапанов 20 и 21, и отключения электрозапального устройства 23 и по сигналу от датчика температуры 17 устройство управления формирует сигнал на запуск двигателя 1 путем включения его электростартера либо электрической машины 11 в двигательном режиме от аккумуляторной батареи 15. Одновременно с прокруткой коленчатого вала двигателя по сигналу от управляющего устройства 14, благодаря открытию электроклапана 19, производится подача воздуха под давлением в цилиндры двигателя. Подача сжатого воздуха на впуск двигателя обеспечивает повышение степени повышения давления сжатия в цилиндрах и более надежное воспламенение топлива.
В случае, если требуется длительное время поддерживать двигатель в постоянной готовности к пуску и приему нагрузки (режим «горячего резерва»), то после описанного выше периода прогрева двигателя до заданной температуры (если нет команды на запуск и включение под нагрузку) по сигналу от датчика 17 управляющее устройство 14 формирует сигналы на закрытие электроклапанов 19, 20 и 21. В процессе дальнейшего охлаждения двигателя при достижении его минимально допустимой температуры по сигналу от датчика 17 происходит открытие клапанов 19, 20 и 21, включение электрозапального устройства 23 и прогрев двигателя высокотемпературными отработавшими газами. При этом происходит постоянная подзарядка аккумуляторной батареи 15 от термоэлектрогенераторов теплообменника 8 и электрофакельного устройства 9, а также периодическая подкачка воздуха в емкость 5 компрессором 12 с электроприводом постоянного тока 13, управляемым по сигналам от датчика давления 24. Таким образом, периоды принудительного прогрева и естественного охлаждения двигателя 1 чередуются, обеспечивая постоянное нахождение его в готовности к пуску и приему нагрузки. При этом сам двигатель на самопрогрев не запускается, и специальные дополнительные устройства для его прогрева не используются.
После запуска двигателя, выхода его на номинальную частоту вращения и включения под нагрузку электрическая машина 11 переводится на работу в генераторном режиме. Вырабатываемая электрической машиной 11 электроэнергия может быть использована для подзарядки аккумуляторной батареи 15 либо для непосредственной подачи электропотребителям через преобразователь частоты и напряжения 16. Электроэнергия может также передаваться потребителям, не требующим постоянных частоты тока и уровня напряжения, например электронагревательным приборам, напрямую от электрической машины 11, минуя преобразователь 16. Наличие преобразователя 16 обеспечивает подачу электроэнергии переменного тока стабилизированного напряжения и постоянной частоты при работе двигателя с любой частотой вращения. Электроэнергия потребителю может подаваться также и при неработающем двигателе, когда преобразователь 16 получает электропитание от аккумуляторной батареи.
При работе двигателя 1 только на электрическую машину 11 когда его частота вращения устанавливается постоянной, преобразователь 16 может быть включен на параллельную работу с электрической машиной 11. По сравнению с последовательным режимом включения преобразователя 16 и электрической машины 11 параллельное их включение при работе двигателя 1 только на выработку электроэнергии позволяет существенно повысить качество и технико-экономические показатели электроснабжения потребителей. Коммутация преобразователя 16 на последовательную либо параллельную работу с электрической машиной 11 производится по сигналу от устройства управления 14 в зависимости от режима работы двигателя 1 и его частоты вращения, регистрируемой датчиком 31.
При работе двигателя 1 за счет утилизации теплоты его отработавших газов в теплообменнике 8 образуется водяной пар. Работая в режиме парогенератора, кожухотрубный теплообменник 8 позволяет подавать пар из межтрубного пространства потребителям. Запас воды в теплообменнике 8 восполняется за счет возврата конденсата в теплообменник 8 из сепаратора-влагоотделителя 28. Работа теплообменника 8 в испарительном режиме является благоприятной основой для установки в нем термоэлектрического генератора, поскольку в данном случае обеспечивается значительный и стабильный перепад температур в элементах корпуса. Таким образом, дополнительная выработка тепловой и электрической энергии в теплообменнике 8 способствует значительному повышению экономичности работы двигателя.
При работе двигателя 1 на малых нагрузках теплоты его отработавших газов может не хватать для нужд теплоснабжения. В этом случае устройство управления 14 по сигналу от потребителя тепловой энергии путем включения электроклапанов 19, 20, 21 и электрозапального устройства 23 обеспечивает приготовление в электрофакельном устройстве дополнительного рабочего тела -теплоносителя, обеспечивающего увеличение выработки пара.
В процессе функционирования двигателя с переменной нагрузкой возможны значительные колебания его частоты вращения, что крайне нежелательно, особенно при работе его на электрогенератор (в составе дизель-генераторной установки). С целью исключения значительных колебаний частоты вращения при набросах нагрузки двигатель 1 оборудован емкостью 5 с запасом воздуха. При набросе значительной нагрузки по сигналу от датчика предельного положения рейки ТНВД устройство управления 14 подает команду на импульсное открытие электроклапана подачи воздуха на впуск двигателя. При этом происходит импульсное увеличение на впуске в двигатель количества рабочего тела и одновременно окислителя, так как помимо нейтрального азота воздух содержит также кислород.
Кроме мероприятий по увеличению количества рабочего тела и окислителя на впуске в двигателе предусмотрены меры для подачи дополнительного рабочего тела в турбину 7 турбокомпрессора для уменьшения времени раскрутки ее ротора до номинальной частоты при набросах нагрузки. Для этого по сигналу от датчика 4 о выходе рейки ТНВД на упор максимальной подачи топлива устройство управления 14 формирует командные импульсы на открытие электроклапанов 22 и 20, а также электрозапального устройства 23. Вследствие недостатка окислителя в первый момент переходного процесса, вызванного набросом нагрузки на двигатель, в последнем имеет место неполное сгорание топлива. Импульсная подача на выпуск двигателя дополнительного окислителя (воздуха) из емкости 5 посредством открытия клапана 20, а также включение электрозапального устройства 23 одновременно обеспечивают дожигание неполностью сгоревшего в двигателе топлива и подачу дополнительного рабочего тела в турбину. Кроме этого в заявляемом техническом решении предусмотрено использование в качестве дополнительного рабочего тела пара, подаваемого из теплообменника 8 в турбину 7 посредством импульсного открытия электроклапана 22.
При работе двигателя в переходных режимах наброса нагрузки и при перегрузках электрическая машина 11 используется для передачи мощности и стабилизации частоты вращения двигателя. Такое решение позволяет в качестве обратимой электрической машины использовать силовой синхронный генератор - двигатель генераторных установок. При набросе нагрузки, а также при работе двигателя с перегрузкой по сигналу датчика активного тока 18 либо датчика 4 положения рейки ТНВД устройство управления 14 подает командный импульс в преобразователь 16 на перевод его из режима заряда аккумуляторной батареи 15 и отдачи мощности потребителям, устанавливаемого при работе двигателя на частичных нагрузках, в режим разряда батареи 15 на электрическую машину 11 (через преобразователь 16). При использовании в качестве накопителя электроэнергии 15 стартерных аккумуляторных батарей дополнительная мощность, отдаваемая в сеть при набросах нагрузки и перегрузках, может составлять 10-15% от мощности двигателя. Если допустить возможную кратковременную 200% перегрузку преобразователя, то отдаваемая им при набросах нагрузки дополнительная мощность может достигнуть 20-30% от мощности двигателя, что можно считать достаточным для обеспечения переходных режимов работы двигателя.
При работе двигателя на малых нагрузках использование преобразователя 16 в стационарных режимах работы двигателя 1 совместно с аккумуляторной батареей 15 в качестве накопителя электроэнергии позволяет значительно снизить расход топлива вследствие выравнивания графика электрических нагрузок (уменьшения времени работы на малых нагрузках и с перегрузкой).
Также повышению экономичности использования двигателя способствует утилизация теплоты отработавших газов двигателя в теплообменнике 8, сопровождающаяся выработкой и подачей пара потребителям, а также дополнительной выработкой электроэнергии встроенным в теплообменник 8 термоэлектрогенератором.
Для повышения эффективности работы ДВС на долевых режимах в заявляемом техническом решении предусмотрено проведение ряда дополнительных мер и технологических операций, суть которых сводится к следующему:
1. Благодаря наличию, как и в прототипе, силового генератора 11 появляется возможность полезно догрузить двигатель 1 полученной электрической мощностью, передаваемой потребителям электроэнергии для собственных нужд и затрачиваемой на заряд аккумуляторной батареи 15. При этом, в отличие от прототипа, где возможности по полезной загрузке силового генератора 11 электрической мощностью ограничены, в заявляемом техническом решении предусмотрена установка в корпусе теплообменника 8 электронагревателя 29, гарантированно обеспечивающего полезную догрузку двигателя 1 на долевых режимах работы. Аккумулируемая при этом в теплообменнике 8 тепловая энергия может быть полезно использована потребителями тепловой энергии или на турбине 7 турбокомпрессора, при подаче в нее пара через электроклапан 22.
2. Также как в прототипе, в заявляемом техническом решении имеется возможность на долевых режимах работы снизить частоту вращения коленчатого вала двигателя, увеличив, при этом цикловую подачу топлива и, как следствие улучшить эффективность его сгорания в цилиндрах двигателя. При этом на качестве электроснабжения потребителей снижение частоты тока в силовом генераторе 11 не сказывается, поскольку они получают электроэнергию от преобразователя частоты и напряжения 16. Однако, в отличие от прототипа, где преобразователь частоты и напряжения 16 подключен последовательно к силовому генератору 11, в заявляемом техническом решении потребители могут получить электроэнергию не только от преобразователя 16, но и от силового генератора 11, даже на режимах работы с пониженной частотой вращения коленчатого вала двигателя. Известно, что при последовательном, по отношению к электропотребителям, соединении генератора и преобразователя частоты и напряжения их установленные мощности частично связаны между собой в соотношении примерно 1:2. Относительно большая и частично связанная с характеристиками силового генератора 11 установленная мощность преобразователя 16 приводит к увеличению стоимости оборудования и снижению эффективности его применения. В заявляемом техническом решении потребители могут получать электроэнергию, как непосредственно от силового генератора, так и от преобразователя частоты и напряжения. Такое последовательно-параллельное (по отношению к электропотребителям) включение силового генератора 11 и преобразователя 16 обеспечивает снижение затрат на оборудование и повышение эффективности его работы, в том числе и на долевых режимах при работе с пониженной частотой вращения. Например, используемый в схеме (фиг. 1) электронагреватель 29 не требует для своей работы стабильной частоты тока сети и может на долевых режимах быть запитан непосредственно от силового генератора 11 без потерь энергии в преобразователе 16.
3. В отличие от прототипа электроклапан подачи газовой смеси в электрофакельное устройство 20 установлен таким образом, что позволяет на долевых режимах работы обеспечить частичную рециркуляцию отработавших газов двигателя с выпуска на всасывание, что способствует повышению эффективности проведения на данных режимах внутрицилиндровых рабочих процессов двигателя.
В переходных режимах работы двигателя, вызванных изменением (набросом) нагрузки, и при перегрузках в заявляемом техническом решении, в отличие от прототипа, имеется возможность обеспечить дополнительную подкрутку ротора турбокомпрессора не только паром, подаваемым через электроклапан 22, но также обратимой электрической машиной 25, получающей в двигательном режиме электропитание от аккумуляторной батареи 15 через преобразователь 26.
Также, благодаря тому, что в заявляемом техническом решении, по сравнению с прототипом, кожухотрубный теплообменник 8 по газовыпускному тракту расположен не до, а после турбины 7, вследствие снижения аэродинамического сопротивления газового тракта и повышения термодинамических параметров газовой смеси на участке от двигателя до турбины, динамические характеристики работы турбины 7 в переходных режимах, вызванных набросом нагрузки, улучшаются. При этом термодинамические параметры и кинетическая энергия отработавших газов перед турбиной 7 могут быть повышены за счет кратковременного (на период наброса нагрузки, определяемого по показаниям датчиков хода рейки ТНВД 4, частоты вращения двигателя 31, частоты вращения турбокомпрессора 33) включения в работу от устройства управления 14 электрофакельного устройства 9, путем включения устройства поджига 23 и импульсного открытия электроклапанов 19, 20, 21. Дополнительно или вместо клапанов 19, 20, 21, например в случае снижения (ограниченности) запасов сжатого воздуха в емкости 5 и топлива в емкости 9, вместо них для повышения кинетической энергии парогазовой смеси, поступающей на вход турбины 7 может использоваться импульсная подача горячей воды через электроклапан 27.
Установка кожухотрубного теплообменника 8 по газовыпускному тракту двигателя после турбины 7 в заявляемом техническом решении, по сравнению с прототипом, позволяет существенно сократить потери (унос) воды из состава, размещенного в теплообменнике 8 запаса теплоносителя, за счет ее сепарации и конденсации во влагоотделителе 28.
На режимах работы двигателя, связанных с перегрузкой, в заявляемом техническом решении, в отличие от прототипа дополнительная мощность двигателя может быть получена не только путем подкрутки его вала обратимой электрической машиной 11 и увеличением количества рабочей смеси на его впуске за счет открытия электроклапана 19, но и дополнительно за счет повышения степени сжатия в компрессоре 6, и подзарядки аккумуляторной батареи 15 от электрической машины 25 через преобразователь 26. При этом степень сжатия в компрессоре 6 обеспечивается повышением частоты вращения вала турбокомпрессора за счет подачи в турбину 7 высокотемпературной газовой или парогазовой смеси, образованной в электрофакельном устройстве 9 в случае парогазовой смеси при открытии электроклапанов 19, 20, 21, 27, 22, а при использовании газовой смеси при открытии электроклапанов 19, 20, 21 и включении устройства поджига 23. Парогазовая смесь в электрозапальном устройстве может быть также получена при отдельном открытии электроклапанов 27, 22, при этом электроклапаны 19, 20, 21 не открывают, например, в целях экономии расходования запасов топлива и сжатого воздуха. Таким образом, в отличие от прототипа, заявляемое техническое решение позволяет обеспечить эффективную работу двигателя на режимах не только кратковременных, но и длительных перегрузок. При этом установка кожухотрубного теплообменника 8 в заявляемом техническом решении после турбины 7 позволяет значительно снизить инерционность газового тракта на участке от двигателя до турбины, улучшить динамические характеристики работы турбокомпрессора за счет возможности дополнительно получать в электрофакельном устройстве 9 и подавать в турбину 7 высокотемпературную газовую смесь. При этом наличие значительного температурного перепада при испарении жидкости в электрозапальном устройстве 9 позволяет за счет установки в нем термоэлектрогенератора 30 обеспечить дополнительную подзарядку от него аккумуляторной батареи 15.
Процесс приготовления рабочей смеси, подаваемой на впуск двигателя, проводится согласно заявляемому способу в следующей последовательности.
1. По сигналу на запуск двигателя или на включение из режима «горячий резерв» управляющее устройство 14 посредством подачи сигнала на электроклапан 19 обеспечивает подачу дополнительного воздуха в цилиндры для надежного воспламенения топлива.
2. На всех переходных режимах, сопровождающихся выходом рейки на упор максимальной подачи топлива, по сигналу от датчика 4 предельного положения рейки ТНВД управляющее устройство 14 формирует импульс на открытие электроклапана 19 подачи дополнительного воздуха в цилиндры. Подачу дополнительного воздуха прекращают по сигналу от датчика 4 после ухода рейки ТНВД с упора максимальной подачи. На других эксплуатационных режимах, не сопровождающихся выходом рейки на упор максимальной подачи топлива, рабочая смесь готовится путем сжатия атмосферного воздуха в компрессоре.
Процесс приготовления рабочей смеси, подаваемой в турбину 7 турбокомпрессора двигателя, проводится согласно заявляемому способу в следующей последовательности.
На режимах предпускового подогрева и «горячего резерва» по сигналу от датчика 17 температуры двигателя управляющее устройство 14 подает сигналы на открытие электроклапанов 19, 20 и 21 подачи воздуха и топлива в электрофакельное устройство 9, а также на включение электрозапального устройства 23. Образованная в результате сжигания топлива высокотемпературная газовая смесь подается через турбину 7 в теплообменник 8, где отдает тепло, используемое на нагрев воды, приготовление пара и одновременно выработку электроэнергии для заряда аккумуляторной батареи 15. При этом электроэнергия для заряда аккумуляторных батарей вырабатывается одновременно в термоэлектрогенераторах электрофакельного устройства 9, кожухотрубного теплообменника 8 и в электрической машине турбокомпрессора 25 при вращении его вала. При длительном интенсивном прогреве двигателя, сопровождающимся выходом турбокомпрессора на режим автономной работы под действием высокотемпературной газовой смеси, поступающей из электрофакельного устройства 9 электроклапан подачи сжатого воздуха 19 из емкости 5 закрывают и в электрофакельное устройство поступает только атмосферный воздух. Процесс открытия и закрытия клапана 19 и перевод работы электрофакельного устройства на работу на атмосферном воздухе регулируется управляющим устройством 14 по сигналам от датчика частоты вращения турбокомпрессора 33. По достижении требуемой для запуска двигателя или поддержания его в «горячем резерве» температуры по сигналу от датчика температуры 17 устройство управления 14 подает сигналы на закрытие электроклапанов 19, 20 и 21 и отключение электрозапального устройства 23.
На переходных режимах, приводящих к выходу рейки ТНВД на упор максимальной подачи топлива, по сигналу от датчика 4 устройство управления 14 подает сигналы на открытие электроклапанов 19, 20, 21, 22 и 27, а также включение электрозапального устройства 23. При этом рабочая смесь, подаваемая на вход турбины, образуется путем смешения высокотемпературных отработавших газов двигателя, дополнительной газовой смеси, получаемой от сжигания топлива в электрофакельном устройстве 9 и пара, подаваемого из теплообменника 8 через электроклапан 22 и образованного из воды, подаваемой электроклапаном 27. Оптимальные последовательность и время открытия электроклапанов 19, 20, 21,22 и 27, а также время включения электрозапального устройства 23 устанавливаются устройством управления 14 по показаниям датчиков 4, 18, 31, 32 и 33. В частности, при небольших кратковременных набросах нагрузки ограничиваются дополнительной подачей только пара из теплообменника 8 и открытием только клапана 22, при больших набросах нагрузки и работе с перегрузкой открываются на определенное время все вышеперечисленные электроклапаны, кроме этого включают подкрутку валов двигателя и турбокомпрессора обратимыми электрическими машинами 11 и 25 соответственно. С целью экономии запасов топлива и сжатого воздуха для электроклапанов их подачи в электрофакельное устройство 19, 20 и 21 предусматривается их открытие в последнюю очередь, например при разряде аккумуляторных батарей, отсутствии или израсходовании пара и т.п. При уходе рейки с упора максимальной подачи по сигналу от датчика 4 устройство управления 14 подает сигнал на закрытие электроклапанов 19, 20, 21, 22 и 27, а также отключение электрозапального устройства 23.
При работе на малых (частичных) нагрузках, устройство управления 14 формирует управляющий сигнал не регулируемое открытие электроклапана 20, обеспечивающее частичную рециркуляцию отработавших газов с выпуска на всасывание.
На других эксплуатационных режимах в качестве рабочей смеси, подаваемой в турбину 7, используются отработавшие газы двигателя.
Таким образом, предложенный способ и устройство для его реализации позволяют повысить эффективность работы двигателя, расширить его функциональные возможности и область применения за счет обеспечения возможностей по надежной, экономичной, длительной и эффективной работе двигателя на переходных режимах пуска и изменения нагрузки, при работе на малых нагрузках и перегрузках, дополнительному электроснабжению и теплоснабжению потребителей в процессе работы двигателя.
Источники информации:
1. Патент 2231660, Российская Федерация, МПК F02B 47/10, F02N 17/02. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, двигатель внутреннего сгорания. [Текст] / Прутчиков И.О. и др.; заявитель и патентообладатель Военный инженерно-технический университет.- №2002132668/06; заявл. 04.12.2002; опубл. 27.06.2004. Бюл.№18.
2. Патент 22265739, Российская Федерация, МПК F02B 47/10, F02N 17/02. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, двигатель внутреннего сгорания. [Текст] / Прутчиков И.О. и др.; заявитель и патентообладатель Военный инженерно-технический университет.- №2004120409/06; заявл. 02.07.2004; опубл. 10.12.2005. Бюл. №34.