СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СГОРАНИЕМ В ДВС С ТУРБОКОМПРЕССОРОМ
COMBUSTION CONTROL METHOD IN ICE WITH TURBO-COMPRESSOR

Изобретение относится к двигателестроению, а в частности к способам управления сгоранием топливовоздушной смеси бензиновых двигателей внутреннего сгорания.
Основной областью применения изобретения являются бензиновые двигатели внутреннего сгорания, ориентированные на эксплуатацию в составе транспортных средств.
Данный способ позволяет управлять сгоранием гомогенной топливовоздушной смеси в широком диапазоне рабочих режимов, в том числе на низкой частоте вращения, благодаря чему повышается КПД двигателя внутреннего сгорания, снижаются вредные выбросы с отработавшими газами и расход топлива по сравнению с двигателями внутреннего сгорания той же мощности.
Из уровня техники известны различные исполнения ДВС с быстрым сгоранием гомогенной разбавленной смеси с управляемым самовоспламенением, которые отличаются составом и конструкцией систем впуска и выпуска, обеспечивающих подачу в двигатель смеси воздуха с отработавшими газами (далее ОГ), имеющей необходимую температуру для реализации процесса управляемого гомогенного самовоспламенения. Однако следует отметить, что реализовать процесс гомогенного самовоспламенения удается далеко не на всех режимах работы и для его реализации приходится применять различные системы подогрева воздуха на впуске. Подогрев обеспечивают за счет рециркуляции отработавших газов во впускной коллектор за счет применения высокотемпературных клапанов (EGR), за счет применения электрических нагревателей воздуха во впускной тракте, применения приводных компрессоров и нагнетателей, рекуперации иной тепловой энергии, в том числе тепловой энергии охлаждающей жидкости и моторного масла, а также исключением из впускной магистрали охладителя наддувочного воздуха.
Из уровня техники известен ДВС с турбокомпрессором, способный работать с управляемым гомогенным самовоспламенением (GB 2420152 А, 17.05.2006). В состав двигателя входит расширитель с ременным приводом от коленчатого вала, представляющий собой полость, размещенную перед впускным коллектором двигателя и предназначенную для дополнительного расширения воздуха, предварительно сжатого в турбокомпрессоре. Расширитель совместно с непосредственным впрыскиванием топлива снижает температуру внутри цилиндра в конце такта сжатия, снижая фактическую степень сжатия. Для охлаждения наддувочного воздуха применен охладитель, расположенный после турбокомпрессора. Предложенный двигатель дополнительно оснащен механическим компрессором приводом от коленчатого вала, предназначенный для дополнительного сжатия воздуха перед турбокомпрессором и используемый при запуске и/или на низких частотах вращения.
К недостаткам представленной схемы следует отнести сложность системы газообмена двигателя внутреннего сгорания, которая предусматривает наличие управляемых выпускных клапанов и двух независимых выпускных ресиверов. Наличие приводного детандера с одной стороны усложняет конструкцию в целом, увеличивает механические потери, а также снижает КПД за счет того, что сначала происходит сжатие воздуха в турбокомпрессоре, где воздух нагревается, после этого воздух охлаждается в интеркуллере, после чего попадает в детандер, где расширяется и снижается давление и температура. Также к недостатку можно отнести необходимость использования нагнетателя и расширителя с механическим приводом для реализации рабочего цикла с управляемым гомогенным самовоспламенением. Работа, затрачиваемая на механический привод нагнетателя и расширителя, уменьшает механический КПД двигателя, что в итоге приводит к снижению эффективных показателей.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является способ управления температурой и давлением всасываемого воздуха в двухрежимном двигателе с воспламенением от сжатия однородного заряда (HCCI), изложенный в US 6675579 В1, 13.01.2004. В патенте раскрыт двигатель, особенностью которого является его двухрежимность, т.е. способность работы двигателя в режиме искрового зажигания и в режиме управляемого гомогенного самовоспламенения.
Рассмотренный двигатель включает в себя систему наддува. В состав системы впуска двигателя входят два нагревателя воздуха, в которых используется теплота охлаждающей жидкости системы охлаждения и теплота отработавших газов, регулирующие клапаны и охладитель наддувочного воздуха. Регулирующие клапаны предназначены для изменения расходов горячего (из нагревателя) и холодного (из охладителя) воздуха для получения в итоге воздушной смеси с определенной температурой, необходимой для каждого рабочего режима двигателя. Система рециркуляции ОГ, входящая в состав двигателя, обеспечивает подачу ОГ перед турбокомпрессором на линии впуска. Также в состав рассматриваемого двигателя входит каталитический нейтрализатор.
К недостаткам рассмотренного способа стоит отнести:
- забор отработавших газов в систему рециркуляции осуществляется после каталитического нейтрализатора и теплообменника, что снижает температуру рециркулируемых отработавших газов и создает дополнительную нагрузку в виде гидравлического сопротивления на каталитический нейтрализатор отработавшими газами;
- в системе рециркуляции ОГ подача горячих ОГ во впускной трубопровод ДВС осуществляется перед турбокомпрессором, что увеличивает температуру колеса компрессора во время работы, усложняя условия его работы и снижая ресурс;
- турбокомпрессор используемый в системе не использует управляемый сопловой аппарат турбины, что снижает время отклика турбокомпрессора на низкой частоте вращения двигателя;
- отсутствует смеситель подогретого воздуха и отработавших газов, что снижает степень гомогенности впускного заряда;
- расположение теплообменника «отработавшие газы-воздух» перед турбокомпрессором снижает температуру и суммарную тепловую и кинетическую энергию отработавших газов, тем самым снижая мощность на валу турбины;
- не используется тепловая энергия масляной системы смазки ДВС, которая на двигателях с турбокомпрессором имеет высокий потенциал.
Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке способа управления сгоранием в бензиновом двигателе, обеспечивающим работу на режимах с искровым зажиганием топливовоздушной смеси, а также реализующим процесс гомогенного самовоспламенения в широком диапазоне рабочих режимов, основанного на использовании турбокомпрессора.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы бензинового двигателя, снижении расхода топлива на низких и средних нагрузочных режимах, а также снижении выбросов вредных веществ путем расширения возможных диапазонов рабочих режимов, на которых реализуется процесс гомогенного самовоспламенения за счет регулирования температуры и давления топливовоздушной смеси.
Технический результат достигается тем, что способ управления сгоранием в ДВС с турбокомпрессором, характеризующийся тем, что для реализации процесса управляемого гомогенного самовоспламенения в бензиновом двигателе регулируют давление наддува воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, турбокомпрессором с изменяемым сопловым аппаратом турбины, регулируют температуру воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, путем его нагрева за счет тепловой энергии охлаждающей жидкости и отработавших газов, а также подмешивают в него рециркулируемые отработавшие газы из выпускной системы, причем что дополнительно регулируют давление наддува воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, на режимах низкой и средней мощности посредством подачи сжатого воздуха из ресивера в турбину турбокомпрессора с изменяемым сопловым аппаратом турбины, температуру воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, плавно регулируют в широком диапазоне температур путем его нагрева дополнительно за счет использования тепловой энергии системы смазки ДВС, а также за счет возможности последовательного, параллельного или последовательно-параллельного соединения секций внутри комбинированного термоэлектрогенераторного теплообменника в зависимости от необходимой температуры нагрева наддувочного воздуха, обеспечивая заданные параметры топливовоздушной смеси, а рециркулируемые из выпускной системы отработавшие газы высокой температуры, подмешенныев воздух, забирают в смеситель-гомогенизатор до входа в каталитический нейтрализатор отработавших газов.
Способ управления сгоранием в ДВС с турбокомпрессором для повышения эффективности преобразования энергии сгорания топлива в ДВС имеет следующие дополнительные отличия:
- реализуют рекуперацию избыточной тепловой энергии охлаждающей жидкости, моторного масла и отработавших газов в комбинированном термоэлектрогенераторном теплообменнике для ее запасания в накопителе энергии или использования в бортовой сети;
- используют наддувочный воздух для охлаждения термоэлектрогенераторов комбинированного термоэлектрогенераторного теплообменника;
- наполняют ресивер сжатым воздухом компрессором с электроприводом, использующим для привода электрическую энергию из накопителя энергии, в том числе рекуперированную в комбинированном термоэлектрогенераторном теплообменнике.
Изобретение иллюстрируется двумя чертежами, на которых представлена схема двигателя с системой турбонаддува (фиг. 1), схема комбинированного термоэлектрогенераторного теплообменника (фиг. 2).
Как показано на фиг. 1 бензиновый двигатель внутреннего сгорания 1 имеющий впускной коллектор 2, выполненный конструктивно с магистралями равной длины к каждому цилиндру и имеющему термоизоляцию для снижения влияния геометрии и расположения магистралей на температуру внутри и выпускной коллектор 3, на котором установлен каталитический нейтрализатор 4, соединенный с турбиной турбокомпрессора с изменяемым сопловым аппаратом турбины 5а магистралью, к которой с помощью другой магистрали с клапаном 32 подключен газовый ресивер 30, соединенный с поршневым компрессором с электроприводом 31 подключенным к бортовой сети двигателя внутреннего сгорания 24. Впускной коллектор 2 соединен магистралью с выходом из смесителя-гомогенизатора 6, обеспечиваемого требуемого расхода воздуха в зависимости от рабочего объема двигателя, имеющего два входа для подачи газов, в котором располагается топливная форсунка 7, показанная в положении для впрыска топлива непосредственно в зону смешения газов, которая может быть выполнена с одним или несколькими соплами для обеспечения требуемого расхода топлива, первый вход соединен магистралью подачи рециркулируемых отработавших газов 8, соединенной с выпускным коллектором выпускной системы 3, на которой располагается электроуправляемый клапан 9. Компрессорная часть турбокомпрессора с изменяемым сопловым аппаратом турбины 5b своей напорной магистралью, которая разделяется на две магистрали, первой магистралью 9 соединяется с комбинированным термоэлектрогенераторным теплообменником 10, а второй магистралью 11, на которой располагается электромагнитный клапан 12 и охладитель надувочного воздуха 28, соединяется со вторым входом смесителя-гомогенизатора 6.
Комбинированный термоэлектрогенераторный теплообменник 10 имеет четыре входа: для подачи охлаждающей жидкости 13, моторного масла 14, отработавших газов 15 на выходе из турбокомпрессора с изменяемым сопловым аппаратом турбины 5а, воздуха 16 из компрессорной части турбокомпрессора с изменяемым сопловым аппаратом турбины 5b и четыре выхода: выход охлаждающей жидкости 17 на радиатор охлаждения, выход моторного масла 18 на радиатор масляный, выход 19 отработавших газов в выпускной тракт и выход нагретого воздуха после теплообменника 20, соединенный с газовой магистралью 11. Комбинированный термоэлектрогенераторный теплообменник 10 имеет электрический выход 21, соединенный с силовым блоком электроники 22, который также соединении с поршневым компрессором с электроприводом 31, накопителем энергии 23, в качестве которого могут выступать аккумуляторы различной конструкции, суперконденсаторы различной конструкции и их комбинации и бортовой электрической сетью 24 двигателя внутреннего сгорания 1.
Как показано на фиг. 2 комбинированный термоэлектрогенераторный теплообменник 10 состоит из трех секций: первая секция 25 представляет собой газо-жидкостный теплообменник между охлаждающей жидкостью двигателя внутреннего сгорания, поступающей на вход 13 и надувочным воздухом поступающим во вход 16, на котором установлены термоэлектрогенераторы 29, работающие по принципу Пельте, вторая секция 26 представляет собой газо-жидкостный теплообменник между моторным маслом двигателя внутреннего сгорания из системы смазки ДВС, поступающей на вход 14 и надувочным воздухом, на котором установлены термоэлектрогенераторы 29, работающие по принципу Пельте и третья секция 27 представляет собой теплообменник между отработавшими газами двигателя внутреннего сгорания и надувочным воздухом, на котором установлены термоэлектрогенераторы 29, работающие по принципу Пельте, причем охлаждение термоэлектрогенераторов может быть осуществлено за счет надувочного воздуха. Конструкция комбинированного термоэлектрогенераторного теплообменника 10 может быть выполнена таким образом, что секции 25, 26 и 27 могут быть соединены последовательно, параллельно, а также последовательно-параллельно для обеспечения большего числа вариантов нагрева наддувочного воздуха и возможности регулирования его температуры в широком диапазоне. Термоэлектрогенераторы 29 выполнены отдельными модулями, которые могут быть соединены между собой последовательно, параллельно и последовательно-параллельно для обеспечения необходимых параметров тока и напряжения на выводе 21.
В процессе работы бензинового двигателя внутреннего сгорания 1 на режиме с искровым зажиганием горячие отработавшие газы поступают через выпускной коллектор 3 в каталитический нейтрализатор 4, откуда попадают в турбинную часть турбокомпрессора с изменяемым сопловым аппаратом турбины 5а, за счет чего повышается давление наддува в напорной линии после компрессорной части турбокомпрессора с изменяемым сопловым аппаратом турбины 5b, откуда надувочный воздух попадает в смеситель-гомогенизатор 6, в котором производится топливоподача посредством топливной форсунки 7, откуда гомогенная топливо-воздушная смесь попадает во впускной коллектор 2, где равномерно подается в цилиндры двигателя 1. При недостаточном давлении наддува, например при резком повышении нагрузки на двигатель внутреннего сгорания 1 за счет подачи сжатого воздуха из ресивера 30 через клапан 32 в выпускную магистраль двигателя внутреннего сгорания повышается давление перед турбинной частью турбокомпрессора с изменяемым сопловым аппаратом турбины, который за счет изменения проходного сечения соплового аппарата увеличивает скорость газа при попадании на лопатки турбины, за счет чего резко повышается частота вращения ротора турбокомпрессора с изменяемым сопловым аппаратом турбины и повышается давление наддува и растет мощность двигателя внутреннего сгорания 1. При достижении определенного нагрузочного режима работы, количество отработавших газов двигателя внутреннего сгорания 1 становиться достаточно для обеспечения требуемого давления наддува без затрат пневматической энергии, и с помощью компрессора с электроприводом 31 питающегося от бортовой сети 24 накачивается сжатый воздух в ресивер 30. При подаче охлаждающей жидкости, моторного масла и отработавших газов в комбинированный термоэлектрогенераторный теплообменник 10 вырабатывается электрическая энергия, которая поступает в накопитель энергии 23 через силовой блок электроники 22 и используется для обеспечения нужд бортовой сети 24.
При переходе с режима работы от искрового зажигания на режим сгорания управляемого самовоспламенения гомогенной топливовоздушной смеси происходит управление подачей надувочного воздуха посредством клапана 12, который может регулировать количество надувочного воздуха, проходящего через него, что заставляет надувочный воздух поступать в комбинированный термоэлектрогенераторный теплообменник 10, в котором посредством теплообменных секций 25, 26, 27 происходит постепенный нагрев надувочного воздуха, который поступает в магистраль 11 перед смесителем-гомогенизатором 6. В процессе работы комбинированного термоэлектрогенераторного теплообменника 10 за счет применения термоэлектрогенераторов 29 происходит вырабатывание электрической энергии, которая через силовой блок электроники 22 подается, либо в бортовую сеть двигателя внутреннего сгорания 24, либо в накопитель энергии 23 для последующего использования в том числе на привод компрессора с электроприводом 31. Если температура надувочного воздуха после комбинированного термоэлектрогенераторного теплообменника 10 недостаточно для обеспечения необходимой температуры топливовоздушной смеси после смесителя-гомогенизатора 6 на впуске в двигатель внутреннего сгорания 1 для реализации процесса самовоспламенения гомогенной топливовоздушной смеси, в смеситель-гомогенизатор 6 подаются отработавшие газы из выпускного коллектора 3 посредством магистрали 8, расположенной перед каталитический нейтрализатором 4, что с одной стороны снижает расход через него, а с другой стороны создает повышенное сопротивления для подачи отработавших газов в смеситель-гомогенизатор 6, с возможностью регулировки расхода клапаном 9. Давление наддува играет большую роль в подготовке топливовоздушной гомогенной смеси, поэтому для его регулировки может применяться регулируемый сопловой аппарат турбины турбокомпрессора с изменяемым сопловым аппаратом турбины 5 в комплексе с подачей сжатого воздуха в выпускную магистраль из ресивера 31 посредством клапана 32 для повышения давления наддува при необходимости.
Применение комбинированного термоэлектрогенераторного теплообменника 10 позволяет снизить температуру отработавших газов двигателя внутреннего сгорания 1, что приводит к снижению шумового воздействия при использовании равных глушителей в системах выпуска.