УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ РЕЦИРКУЛИРУЮЩЕГО ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателям внутреннего сгорания. Она касается охлаждения рециркулирующего отработавшего газа в дизельном двигателе, снабженном турбокомпрессором.
При сгорании топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя образуются вредные оксиды азота. Для снижения концентрации оксидов азота используется отработавший газ, небольшое количество которого из выпускного коллектора подается во впускной коллектор двигателя. Соотношение воздух/топливо для топливовоздушной смеси в этом случае не изменяется, но в камере сгорания оказывается меньше топлива и кислорода. Как следствие, горение происходит при меньших температурах и давлении. Процесс возврата части отработавших газов обратно в камеру сгорания получил название рециркуляции.
Применение в двигателях устройств охлаждения рециркулирующего отработавшего газа позволяет дополнительно снизить температуру сгорания топливовоздушной смеси, тем самым уменьшив образование оксидов азота.
Известно устройство охлаждения рециркулирующего отработавшего газа в двигателе внутреннего сгорания, содержащее газожидкостный теплообменник, включенный в контур жидкостного охлаждения двигателя (см. заявку №20080178853, опубликованную 31.07.2008 г. в США). Однако в этом устройстве охлаждение рециркулирующего отработавшего газа получается недостаточным при работе двигателя в режиме полных нагрузок и в условиях повышенных температур окружающей среды.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) принято устройство охлаждения рециркулирующего отработавшего газа в двигателе внутреннего сгорания, представленное в заявке №2010048113, опубликованной 04.03.2010 г. в Японии. Это устройство охлаждения рециркулирующего отработавшего газа содержит газожидкостный теплообменник охлаждения рециркулирующего отработавшего газа и форсунку для впрыска жидкости в поток рециркулирующего отработавшего газа перед его поступлением в газожидкостный теплообменник. Однако в этом устройстве отсутствует возможность оперативного регулирования температурных параметров подаваемого в цилиндры двигателя рециркулирующего отработавшего газа. Это понижает эксплуатационную надежность двигателя внутреннего сгорания при его работе в режиме полной нагрузки и/или при высокой температуре окружающей среды.
При создании устройства охлаждения рециркулирующего отработавшего газа двигателя решалась задача обеспечения оптимальной температуры рециркулирующего отработавшего газа при работе двигателя в режиме полных нагрузок и/или в условиях повышенных температур окружающей среды.
Для решения этой задачи устройство охлаждения рециркулирующего отработавшего газа в двигателе внутреннего сгорания, содержащее газожидкостный теплообменник охлаждения рециркулирующего отработавшего газа и форсунку для впрыска жидкости в поток рециркулирующего отработавшего газа перед его поступлением в газожидкостный теплообменник, содержит первый датчик температуры, установленный в газопроводе подачи рециркулирующего отработавшего газа на входе в газожидкостный теплообменник, второй датчик температуры, установленный в упомянутом газопроводе на выходе из указанного теплообменника, насос для подачи жидкости к упомянутой форсунке из бака, снабженного датчиком уровня жидкости в баке, и насос для подачи жидкости в газожидкостный теплообменник. При этом насосы подачи жидкости к форсунке и в газожидкостный теплообменник имеют независимые приводы от электродвигателей, управляемых электронным блоком управления двигателем. К входам блока управления двигателем подключены упомянутые первый и второй датчики температуры и датчик уровня жидкости в баке.
При охлаждении рециркулирующего отработавшего газа двигателя внутреннего сгорания и с помощью газожидкостного теплообменника, и путем впрыска в него воды форсункой расширяются возможности регулирования теплового режима и отработавшего газа, и самого двигателя, так как это дает возможность охлаждать рециркулирующий отработавший газ либо только с помощью газожидкостного теплообменника для экономии воды, подаваемой к форсунке, либо только путем впрыска воды при перегреве жидкости, охлаждающей сам двигатель. При этом включение в устройство охлаждения рециркулирующего отработавшего газа средств, позволяющих регулировать температурные параметры подаваемого в цилиндры двигателя рециркулирующего отработавшего газа, обеспечивает оптимальную температуру рециркулирующего отработавшего газа при работе двигателя в режиме полных нагрузок и/или в условиях повышенных температур окружающей среды. В результате повышается эксплуатационная надежность двигателя внутреннего сгорания при его работе в режиме полных нагрузок и/или в условиях повышенных температур окружающей среды, а также снижается суммарный выброс вредных веществ в атмосферу.
На фигуре показан радиатор 1 охлаждения наддувочного воздуха, нагнетаемого компрессором 2 турбокомпрессора 3 и поступающего по впускному трубопроводу 4 через впускной коллектор 5 в цилиндры двигателя 6. С впускным трубопроводом 4 сообщен газопровод 7 рециркуляции отработавшего газа, поступающего к турбине 8 турбокомпрессора 3 через выпускной трубопровод 9, связанный с выпускными коллекторами 10 двигателя 6.
Устройство охлаждения рециркулирующего отработавшего газа содержит газожидкостный теплообменник 11, встроенный в газопровод 7 рециркуляции отработавшего газа и включенный в контур 12 жидкостного охлаждения двигателя 6. Указанный контур 12 содержит радиатор 13, водяной насос 14, датчик 15 температуры охлаждающей жидкости, установленный на входе в водяной насос 14, температурный регулятор 16 с электроприводом, установленный при выходе из радиатора 13, водосборные трубы 17 и компенсационно-расширительный бачок 18. С контуром 12 жидкостного охлаждения двигателя 6 сообщена гидролиния 19, в которую последовательно включены электромеханический жидкостный кран 20, водяной насос 21, работающий от электродвигателя 22, электромагнитный клапан 23 и газожидкостный теплообменник 11.
В газопроводе 7 на входе в газожидкостный теплообменник 11 установлен первый датчик 24 температуры. На выходе из газожидкостного теплообменника 11 установлен второй датчик 25 температуры. Ниже по потоку рециркулирующих отработавших газов в газопровод 7 встроен электромагнитный клапан 26.
Устройство охлаждения рециркулирующего отработавшего газа снабжено дополнительными средствами охлаждения этого газа, содержащими бак 27 с жидкостью, форсунку 28 с электромагнитным управлением для впрыска жидкости в газопровод 7 в поток рециркулирующего отработавшего газа перед его поступлением к первому датчику 24 температуры, водяной насос 29 для подачи жидкости в форсунку 28, имеющий независимый привод от электродвигателя 30, и напорный клапан 31 для перепуска жидкости из гидролинии 32 обратно в бак 27. Бак 27 снабжен датчиком 33 уровня жидкости.
Форсунка 28, электромагнитные клапаны 23, 26, электромеханический жидкостный кран 20 и электродвигатели 22, 30 привода водяных насосов 21, 29 управляются электронным блоком 34 управления двигателем 6. К входам блока 34 подключены датчик 15 температуры охлаждающей жидкости двигателя, датчики 24, 25, измеряющие температуру рециркулирующего отработавшего газа при входе в газожидкостный теплообменник 11 и выходе из него, и датчик 33 уровня жидкости в баке 27.
Работа устройства охлаждения рециркулирующего отработавшего газа двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом.
При работе двигателя 6, снабженного турбокомпрессором 3, часть отработавшего газа, выходящего из выпускных коллекторов 10, направляется по выпускному трубопроводу 9 в газопровод 7 и далее в газожидкостный теплообменник 11. Другая часть отработавшего газа, проходя по выпускному трубопроводу 9, поступает на вход турбины 8 турбокомпрессора 3, после чего отработавший газ удаляется в атмосферу. Рециркулирующий отработавший газ внутри газожидкостного теплообменника 11 проходит по трубкам (на фигуре не показаны), омываемым снаружи охлаждающей жидкостью, поступающей по гидролинии 19, включенной в контур 12 охлаждения двигателя 6. Далее охлажденный отработавший газ смешивается с потоком наддувочного воздуха, который нагнетается компрессором 2 турбокомпрессора 3 и предварительно охлаждается в радиаторе 1 охлаждения наддувочного воздуха. Смесь из отработавшего газа и наддувочного воздуха поступает во впускной коллектор 5 и подается в цилиндры двигателя 6.
Регулирование температуры рециркулирующего отработавшего газа происходит следующим образом.
Данные о значении температуры рециркулирующего отработавшего газа, измеренной первым датчиком 24, поступают в электронный блок 34 управления двигателем 6. В зависимости от значения измеренной первым датчиком 24 температуры электронный блок 34 вырабатывает управляющий электрический сигнал, поступающий на вход электромагнитного клапана 23, который регулирует количество подаваемой в газожидкостный теплообменник 11 охлаждающей жидкости, тем самым изменяя интенсивность охлаждения рециркулирующего отработавшего газа в соответствии с режимом работы двигателя 6.
Подача охлаждающей жидкости в газожидкостный теплообменник 11 осуществляется по гидролинии 19 при помощи водяного насоса 21, приводимого в действие электродвигателем 22. Отключение подачи охлаждающей жидкости в газожидкостный теплообменник 11 производится электромеханическим жидкостным краном 20 по сигналу от электронного блока 34 управления двигателем 6.
В том случае, если температура рециркулирующего отработавшего газа, выходящего из газожидкостного теплообменника 11, выше требуемого значения, электронный блок 34 на основании данных, полученных от второго датчика 25 температуры, выдает команду электромагнитному клапану 23, который увеличивает количество подаваемой в газожидкостный теплообменник 11 охлаждающей жидкости.
Охлажденный до требуемой температуры рециркулирующий отработавший газ подается в место его смешивания с потоком наддувочного воздуха. Количество подаваемого газа регулируется электромагнитным клапаном 26 по сигналу от электронного блока 34.
При работе двигателя 6 в режиме полных нагрузок и/или в условиях высоких температур окружающей среды охлаждение рециркулирующего отработавшего газа в газожидкостном теплообменнике 11 может быть недостаточным, так как температура охлаждающей жидкости двигателя 6, проходящей через газожидкостный теплообменник 11, будет достаточно высокой. В этом случае возникает необходимость дополнительного охлаждения рециркулирующего отработавшего газа. Так, если температура рециркулирующего отработавшего газа на выходе из теплообменника 11 при полностью открытом электромагнитном клапане 23 окажется выше допустимой величины, от электронного блока 34 поступает управляющий сигнал на электродвигатель 30 привода насоса 29 подачи жидкости к форсунке 28. Насос 29 подает жидкость из бака 27 к форсунке 28, которая впрыскивает жидкость в газопровод 7. Жидкость, поступающая в газопровод 7, испаряется, вследствие чего понижается температура рециркулирующего отработавшего газа. Для предотвращения избыточного давления жидкости в гидролинии 32 предусмотрен напорный клапан 31. При установлении в гидролинии 32 давления жидкости выше допустимой величины клапан 31 осуществляет перепуск жидкости из гидролинии 32 обратно в бак 27. Когда жидкость в баке 27 заканчивается, то срабатывает датчик 33 уровня жидкости в баке 27 и происходит отключение электродвигателя 30 и форсунки 28.
В случае, если при высокой температуре окружающей среды температура охлаждающей жидкости двигателя 6, измеренная датчиком 15, будет выше допустимой величины, электромеханический жидкостный кран 20 по сигналу от электронного блока 34 отключит подачу охлаждающей жидкости в гидролинию 19, и к газожидкостному теплообменнику 11 охлаждающая жидкость поступать не будет. Одновременно от электронного блока 34 поступает электрический сигнал на электродвигатель 30 привода насоса 29 подачи жидкости к форсунке 28, которая впрыскивает жидкость в газопровод 7, охлаждая рециркулирующий отработавший газ.
Таким образом, снабдив устройство охлаждения рециркулирующего отработавшего газа в двигателе внутреннего сгорания средствами, позволяющими регулировать температурные параметры подаваемого в цилиндры двигателя рециркулирующего отработавшего газа, обеспечивается оптимальная температура рециркулирующего отработавшего газа при работе двигателя в режиме полных нагрузок и/или в условиях повышенных температур окружающей среды. Техническим результатом является повышение эксплуатационной надежности двигателя внутреннего сгорания при его работе в режиме полных нагрузок и/или в условиях повышенных температур окружающей среды, а также снижение суммарного выброса вредных веществ в атмосферу.