ТУРБОКОМПАУНДНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА С НАДДУВОМ
TURBO-COMPOUND SUPERCHARGED ENGINE UNIT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к турбокомпаундной двигательной установке с наддувом прежде всего для промышленных транспортных средств и к способу управления такой установкой. Изобретение может найти применение также в области судовых двигателей, транспортных средств и в сельском хозяйстве независимо от типа используемого топлива, будь то бензин, дизельное топливо, газ или водород.
Уровень техники
Двухступенчатый наддув с помощью турбокомпрессора был предложен в качестве средства обеспечения высокого кпд двигателей, прежде всего дизельных двигателей, работающих при больших нагрузках, таких как двигатели промышленных транспортных средств или судовые двигатели. Два турбокомпрессора, установленных последовательно во впускной линии двигателя, приводятся в действие турбинами, установленными в выпускной линии двигателя также последовательно или в иной конфигурации.
Турбокомпаундное решение предусматривает две турбины, установленные последовательно в выпускной линии, причем турбина низкого давления (ТНД) соединена с коленчатым валом дизельного двигателя посредством понижающей передачи. Вследствие этого такая вторая турбина обеспечивает дополнительный крутящий момент двигателя.
Двойная турбокомпаундная схема раскрыта в патенте ЕР 2042705. В нем описаны турбина высокого давления (ТВД) и ТНД, установленные в выпускной линии. Такие турбины могут быть соединены параллельно или последовательно друг с другом посредством соответствующих соединений и редукционных клапанов, особенно необходимых при параллельной конфигурации турбин из-за различия в их характеристиках.
ТВД механически соединена с компрессором высокого давления (КВД).
ТНД соединена с коленчатым валом посредством механической передачи. Передача содержит средство уменьшения изменений скорости, расположенное между второй турбиной и коленчатым валом, как и в обычных турбокомпаундных двигателях. Кроме того, такая механическая передача также соединяет КНД, расположенный во впускной линии выше КВД по потоку, причем последний непосредственно соединен с впускным отверстием двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Ведомый компрессор и силовая турбина соединены с двигателем посредством гидродинамической муфты и редуктора. Функцией гидродинамической муфты является уменьшение передачи колебаний крутящего момента от коленчатого вала к приводам турбин. Дополнительной функцией муфты согласно публикации ЕР 042705 является подключение и отключение от двигателя ведомого компрессора и силовой турбины. Эта функция позволяет системе работать в режиме свободно вращающегося КНД с некоторыми дополнительными потерями на трение в приводе.
В публикации WO 2010066452 описан процесс регулировки скольжения гидродинамической муфты наддува с целью управления противодавлением отработавших газов (ОГ) и их рециркуляцией.
Посредством такой линии КНД получает механическую энергию от двигателя или также от ТНД.
В публикации DE 102005003714 описана двухступенчатая компаундная система. В силу такой схемы ведомый КНД нуждается в большом количестве энергии для осуществления наддува. Однако при механическом приводе трудно добиться управляемости КНД.
Классическая турбокомпаундная схема может обеспечить снижение расхода топлива в пределах от 5 до 10% и повышенную удельную мощность в пределах от 100 до 110% по сравнению с ДВС с изменяемой геометрией турбины VTG (от англ. variable turbine geometry).
Удельная мощность или так называемый удельный выход определяется как мощность в [кВт], деленная на объем двигателя в литрах [л]. Такой удельный выход у современных дизельных систем с электронным управлением VTG, работающих под большой нагрузкой, составляет от 30 до 34 кВт/л. В двухступенчатых и двухступенчатых компаундных системах выход может достигать 50 кВт/л.
В отличие от этого классическая схема с двухступенчатым турбонаддувом по сравнению с VTG схемой способна обеспечить меньшее снижение расхода топлива, составляющее от 0% до 5%, но большую удельную мощность, составляющую от 115 до 130%.
В данном документе термин турбонагнетатель является синонимом нагнетателя или компрессора.
Известна также так называемая «электрическая турбокомпаундная схема», содержащая КВД, аксиально соединенный с ТВД, и ТНД, аксиально соединенную с электрическим генератором, вырабатывающим электроэнергию. Имеющийся электродвигатель также соединен с коленчатым валом ДВС. Первый инвертор преобразует энергию, вырабатываемую электрогенератором, в постоянный ток, подаваемый в шину постоянного тока, а второй инвертор, соединенный с указанной шиной постоянного тока, обеспечивает питание электродвигателя, создающего дополнительный крутящий момент ДВС.
Краткое изложение сущности изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача предложить способ управления двигательной установкой, который позволяет уменьшить расход топлива и увеличить удельную мощность. В рамках этой задачи первой целью настоящего изобретения является предложить способ управления двигательной установкой, который позволяет увеличить эффективную мощность двигателя и улучшить стратегию рекуперации.
Эта основная задача и подзадачи решаются с помощью способа управления двигательной установкой согласно п.1 формулы изобретения. Как указано ниже, посредством настоящего изобретения могут быть обеспечены многие преимущества. Во-первых, в предлагаемой схеме двигательной установки объединены преимущества одиночной и двойной турбокомпаундных систем с двухступенчатым турбонаддувом. Во-вторых, с использованием предлагаемого в изобретении способа управления можно увеличить эффективную мощность двигателя и улучшить стратегию рекуперации. С учетом соединений между турбинами и компрессорами двигательной установки, схему, предлагаемую в настоящем изобретении, также называют «турбокомпаундный двигатель с инверсным двухступенчатым турбонаддувом».
В частности, схема двигательной установки включает в себя:
а) КНД, приводимый в действие ТВД посредством вала,
б) ТВД и ТНД, установленные последовательно в выпускной линии,
в) КНД и КВД, установленные последовательно во впускной линии.
Указанная схема двигательной установки допускает множество различных рабочих конфигураций, каждая из которых влечет за собой соответствующий возможный режим работы. В одной из возможных конфигураций двигательная установка позволяет, например, увеличить эффективную мощность двигателя, в то время как в другой конфигурации двигательная установка может быть использована, например, для регулирования вмешательства системы рециркуляции ОГ. Настоящее изобретение позволяет снизить потребление топлива, увеличить удельную мощность, улучшить переходную характеристику, увеличить эффективную мощность двигателя и улучшить стратегию рекуперации.
В зависимых пунктах формулы изобретения, являющихся неотъемлемой составной частью настоящего изобретения, раскрываются предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет понятным из последующего детального описания предпочтительных вариантов его осуществления, приведенных в качестве иллюстративного, но не ограничивающего примера, со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на Фиг.1 - один из вариантов выполнения предлагаемой в изобретении двигательной установки,
на Фиг.2 - сравнительная диаграмма характеристик известных из уровня техники установок и предлагаемой в настоящем изобретении установки,
на Фиг.3-5 - сравнительные диаграммы характеристик нескольких систем наддува применительно к одному и тому же граничному условию двигателя.
Одинаковые ссылочные позиции (номера и буквы) на чертежах обозначают одинаковые или функционально эквивалентные элементы.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 представлен схематичный вид предлагаемой в изобретении двигательной установки. Двигательная установка, используемая, например, на промышленных транспортных средствах, на судах или для других целей, содержит ДВС 1, который предпочтительно может быть дизельным двигателем. Установка имеет впускную линию 2 ДВС 1 и выпускную линию 20. Начиная от впуска свежего воздуха в упомянутой впускной линии 2 последовательно по потоку свежего воздуха установлены:
- компрессор 11 низкого давления (КНД 11),
- промежуточный охладитель 12 наддувочного воздуха низкого давления (ПОНД 12),
- компрессор 5 высокого давления (КВД 5),
- охладитель 13 наддувочного воздуха высокого давления (ОНВВД 13). Впускная линия 2 содержит первый перепускной механизм 3, 4 для обхода КВД 5. Более подробно, такой перепускной механизм представляет собой перепускную линию 3 и клапан 4. Первый и второй концы перепускной линии 3 подсоединены по потоку соответственно выше и ниже КВД 5. Что касается выпускной линии 20, то начиная от ДВС 1 в ней по потоку ОГ последовательно установлены ТВД 6 и ТНД 7.
Специалисту в данной области понятно, что означают термины турбина «низкого давления» или турбина «высокого давления», равно как и нагнетатель «низкого давления» и нагнетатель «высокого давления» с точки зрения массового расхода, давления и энтальпии с учетом последовательного соединения таких компонентов. Следовательно, также понятно, что «высокий» или «низкий» четко определяют особенности нагнетателя или турбины в данном контексте. В связи с этим в последующем описании под терминами «компрессор» и «нагнетатель» понимают одно и то же. Показанные на Фиг.1 ПОНД 12 и ОНВВД 13 являются необязательными опциями.
Согласно изобретению КНД 11 непосредственно и функционально соединен с ТВД 6. Точнее, КНД 11 приводится в действие ТВД 6 посредством осевого вала 61. Кроме того, ТВД 6 предпочтительно связана с ДВС 1 двойной связью (сдвоенным вводом). Такое решение позволяет обеспечить лучшую переходную характеристику при низкой скорости, извлекая выгоду из пульсации давления в выпускном коллекторе рядного двигателя. В этой связи прямое соединение с двигателем редко находится под постоянным давлением ОГ. В дизельных двигателях с импульсным турбонаддувом сдвоенный ввод в турбину позволяет оптимизировать пульсации ОГ, так как более высокий перепад давления в турбине достигается за более короткое время. Таким образом, посредством увеличения перепада давления принудительно нагнетается поток при уменьшении крайне важного временного интервала, когда массовый расход с высокой плотностью проходит через турбины. В результате такого улучшенного использования энергии ОГ улучшаются характеристики давления наддува двигателя и, следовательно, динамика крутящего момента, прежде всего при низких оборотах двигателя.
Как показано на Фиг.1, в целях предотвращения взаимных помех от различных цилиндров во время циклов их перезарядки, половина цилиндров соединена с одним коллектором 20 ОГ, который формирует «выход» указанного ДВС 1. Таким образом, сдвоенный ввод в ТВД 6 позволяет раздельно подавать поток ОГ через турбину.
В первом основном варианте осуществления изобретения КВД 5 вращательно связан с ТНД 7 посредством соединительной коробки 10. Последняя предпочтительно содержит не показанный на Фиг.1 «комплект шестерен первой ступени», посредством которого вращательное движение передается от вала 8 ТНД 7 к КВД 5. Комплект шестерен первой ступени имеет надлежащее передаточное отношение между валом 8 ТНД 7 и КВД 5. Упомянутая соединительная коробка 10 также содержит гидродинамическую муфту, посредством которой ТНД 7 и КВД 5 могут быть соединены механически и вращательно с коленчатым валом ДВС 1. В частности, такое механическое соединение (ТНД 7 и КВД 5 с ДВС 1) обеспечивается, когда гидродинамическая муфта «активирована». И наоборот, если гидравлическая муфта «деактивирована», то КВД соединен только с ТНД 7 (см. ниже). Соединительная коробка 10 также включает в себя «комплект шестерен второй ступени», выполненный таким образом, чтобы обеспечивать надлежащее передаточное отношение между коленчатым валом ДВС 1 и ТНД 7 и КВД 5.
Таким образом, согласно настоящему изобретению КВД 5 непосредственно и постоянно соединен с соединительной коробкой 10. Это означает, что КВД 5 постоянно соединен с ТНД 7, а если гидродинамическая муфта активирована, то и с коленчатым валом двигателя. В любом случае, согласно настоящему изобретению работа КВД 5 контролируется упомянутым выше перепускным механизмом 3, 4. Боле подробно, когда первый перепускной механизм 3, 4 активирован/задействован (т.е. когда клапан 4 открыт), воздушный поток, поступающий от КНД 11, проходит через перепускную линию 3, и КВД 5 не создает перепада давления. В таких условиях (первый перепускной механизм 3, 4 активирован/открыт) по существу весь воздушный поток проходит через перепускную линию 3, а рабочее колесо ТВД 5 продолжает вращаться, т.к. оно соединено с ТНД 7 и (или) с двигателем. Однако при этом не происходит сжатия массового расхода воздуха. Другими словами, работа КВД 5 сводится к механическим потерям. Более подробно, в отношении массового расхода воздуха, циркулирующего через перепускную линию с выхода КВД 5 на его вход (обратный поток), КВД 5 осуществляет только подачу объемного расхода, не производя работу сжатия.
Следовательно, работа сжатия, выполняемая КВД 5, зависит от активации/деактивации первого перепускного механизма 3, 4. Поэтому принцип работы КВД 5 преимущественно несколько сложнее, но значительно надежнее. Это важно прежде всего для промышленного применения.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения двигательная установка имеет второй перепускной механизм 21, 23 (содержащий вторую перепускную линию 21 и второй клапан 23) для обхода ТВД 6 и третий перепускной механизм 25, 26 (содержащий третью перепускную линию 25 и третий клапан 26) для обхода ТНД 7.
Когда второй перепускной механизм 21, 23 активирован, ОГ, поступающие с выхода ДВС 1, не проходят через ТВД 6. При этом ТВД 6 не приводит в действие КНД 11. Второй перепускной механизм преимущественно активируется для защиты КНД от скорости вращения, выше нормальной, когда гидродинамическая муфта соединительной коробки 10 разъединена/деактивирована. В самом деле, в таких условиях ТНД 7 (на своем холостом ходу) не создает высокого противодавления, достаточного, чтобы тормозить ТВД 6. Вместо этого упомянутый перепускной механизм 21, 23 позволяет контролировать скорость вращения ТВД 6 и, соответственно, скорость вращения соединенного таким образом КНД 11.
Когда активирован третий перепускной механизм 25, 26, поступающие от ТВД 6 ОГ не попадают в ТНД 7. В частности, третий перепускной механизм 25, 26 активируется в режиме торможения двигателя. При этом гидродинамическая муфта активирована, и при активации третьего перепускного механизма 25, 26 ТРД 7 не выдает энергию на эту гидродинамическую муфту и, соответственно, на двигатель. В такой ситуации при деактивации первого перепускного механизма (клапан 4 закрыт) двигатель вынужденно приводит в действие КВД 5. Такая потеря мощности двигателем из-за приведения в действие КВД 5 желательна в режиме торможения двигателя.
Предлагаемая в настоящем изобретении двигательная установка 1, описанная выше, может преимущественно эксплуатироваться по меньшей мере в следующих рабочих конфигурациях:
- в первой конфигурации, называемой «одноступенчатой конфигурацией», когда КНД 11 и ТВД 6 активированы, а ТНД 7 и КВД 5 деактивированы. В такой конфигурации первый перепускной механизм 3, 4 активирован (т.е. массовый расход воздуха проходит через перепускную линию 3 и клапан 4); в то же время активирован также третий перепускной механизм 25, 26, так что поток ОГ идет в обход ТНД 7;
- во второй конфигурации, когда КНД 11 и ТВД 6 активированы, ТНД 7 деактивирована, а КВД 5 находится в работе; в частности, ТНД 7 деактивирован путем активации третьего перепускного механизма (поток ОГ проходит через перепускную линию 25 и клапан 26); как уже указано выше, в этой второй конфигурации установка работает в режиме торможения двигателя;
- в третьей конфигурации, когда КНД 11 и ТВД 6 деактивированы, а ТНД 7 и КВД 5 активированы; в частности, в такой конфигурации КНД 11 и ТВД 6 деактивированы путем активации второго перепускного механизма (поток ОГ проходит через перепускную линию 21 и открытый клапан 23); такая конфигурация позволяет преимущественно разогревать устройство доочистки ОГ двигательной установки;
- в четвертой конфигурации, когда КНД 11 и ТВД 6 активированы, а КВД 5 и ТНД 7 работают на холостом ходу; в частности, в такой конфигурации гидродинамическая муфта соединительной коробки 10 деактивирована и вследствие этого не происходит передача крутящего момента с ТНД 7 на ДВС 1; поэтому в такой конфигурации первый перепускной механизм 3, 4 деактивирован/закрыт (в частности, он может быть активирован при потребности в большом наддуве и деактивирован при потребности в малом наддуве), в то время как второй перепускной механизм 21, 23 и третий перепускной механизм 26, 25 деактивированы;
- в пятой конфигурации; называемой «двухступенчатой конфигурацией», когда КНД 11 и ТВД 6 активированы, а КВД 5 и ТНД 7 функционально подсоединены к двигателю посредством гидродинамической муфты; более подробно, упомянутая гидродинамическая муфта активируется, чтобы передавать крутящий момент от ТНД 7 на ДВС 1; также в этой пятой конфигурации первый перепускной механизм 3, 4 деактивирован/закрыт, равно как деактивированы второй перепускной механизм 21, 23 и третий перепускной механизм 26, 25.
Предлагаемая в изобретении двигательная установка включает в себя средство управления, содержащее, например, электронный управляющий блок ECU (electronic control unit), который управляет активацией/деактивацией первого перепускного механизма 3, 4, а также предпочтительно активацией/деактивацией второго перепускного механизма 21, 23, третьего перепускного механизма 26, 25 и соединительной коробки 10, т.е. упомянутой выше гидродинамической муфты. Электронный управляющий блок ECU по сути контролирует и управляет двигательной установкой с целью смены рабочих конфигураций установки с одной на другую.
Упомянутая двигательная установка также содержит первый измерительный преобразователь, функционально соединенный с электронным управляющий блоком ECU и предназначенный для измерения температуры ОГ. В частности, такая температура измеряется в упомянутой выпускной линии перед ТВД 6. Двигательная установка также содержит второй измерительный преобразователь упомянутого значения лямбда, функционально связанный с электронным управляющий блоком ECU. Упомянутый второй измерительный преобразователь предпочтительно содержит по меньшей мере один датчик давления и по меньшей мере один датчик температуры, установленные во впускной линии и подсоединенные к вышеупомянутому электронному управляющему блоку ECU для вычисления значения лямбда. Более подробно, электронный управляющий блок ECU вычисляет потребность в топливе и массовый расход воздуха исходя из давления наддува и температуры, измеренных соответственно упомянутым по меньшей мере одним датчиком давления и упомянутым одним датчиком температуры упомянутого второго измерительного преобразователя. Согласно альтернативному решению второй измерительный преобразователь может содержать выделенный лямбда зонд, функционально соединенный с вышеупомянутым электронным управляющий блоком ECU.
Упомянутая двигательная установка предпочтительно содержит также средство торможения двигателя и датчик частоты вращения двигателя, который может быть, например, датчиком, обычно устанавливаемым на маховике ДВС. Кроме того, двигательная установка предпочтительно содержит также по меньшей мере датчик крутящего момента для определения крутящего момента. Датчик крутящего момента также функционально соединен с электронным управляющий блоком ECU. Более того, в электронном управляющем блоке ECU предпочтительно хранится «график расхода топлива». На основе этого графика и данных, поступающих от датчика крутящего момента, электронный управляющий блок ECU активирует средство торможения двигателя.
Следует заметить, что в известных решениях средство управления не имеет связи с датчиком крутящего момента. В частности, в известных решениях при работе крутящий момент берется из «графика расхода топлива», который содержит данные, относящиеся к частоте вращения двигателя, крутящему моменту и расходу топлива. Обычно «график расхода топлива» составляется и проверяется на испытательных стендах. В традиционных решениях, следуя требованиям водителя, средство управления обеспечивает массовый расход топлива на основе графика расхода топлива, но при этом отсутствует какая-либо обратная связь от двигателя в виде крутящего момента. Более того, в традиционных решениях в режиме торможения средство управления не получает обратной связи о расходе топлива, а величина тормозного момента также берется из «графика торможения», содержащего данные о скорости вращения двигателя и тормозном моменте. «График торможения» также составляется и калибруется на испытательных стендах.
В отличие от этого в настоящем изобретении наличие датчика крутящего момента, взаимодействующего с электронным управляющий блоком ECU, позволяет контролировать отклонения двигателя и прежде всего само возникновение таких отклонений. Это позволяет поддерживать отклонения двигателя в очень узком диапазоне и компенсировать старение и износ двигателя в процессе эксплуатации.
При этом если выявлено впрыскивание топлива, то средство торможения двигателя не может быть активировано. С другой стороны, если впрыскивание топлива не осуществляется и если частота вращения двигателя выше предварительно заданного значения (например, 1000 об/мин), то тормозное средство двигателя может быть активировано.
Предлагаемая в изобретении стратегия управления двигательной установкой 1 содержит этап деактивации упомянутого первого перепускного механизма 3, 4, если выполняется по меньшей мере одно из следующих условий:
а) температура ОГ превышает заданное значение (например, 700°С),
б) величина лямбда ниже заданного значения,
в) перепад давления во впускной линии (2) превышает по меньшей мере значение помпажа КНД 11,
г) средство торможения двигателя активировано,
д) частота вращения двигателя ниже заданного значения.
Другими словами, согласно изобретению начиная по существу с упомянутой выше первой рабочей конфигурации («одноступенчатой конфигурации»), если выполняются перечисленные выше условия а)-д), то первый перепускной механизм 3, 4 в основном закрыт, так что массовый расход воздуха проходит через КВД 5, где осуществляется сжатие. В таком случае КВД 5 может активно воздействовать на массовый расход воздуха. Напротив, если первый перепускной механизм 3, 4 активирован, то КВД 5 работает, по существу не производя никакого сжатия воздушного потока. Вышеупомянутые условия а)-д) контролируются средством управления ECU, которое затем воздействует на первый перепускной механизм 3, 4 двигательной установки. Электронный управляющий блок ECU может проверить все условия а)-д), прежде чем воздействовать на первый перепускной механизм 3, 4. Альтернативно электронный управляющий блок ECU может воздействовать на перепускной механизм сразу, как только будет выявлено одно из условий а)-д), независимо от выполнения других условий.
В частности, если выполняется условие, указанное в пункте а), то электронный управляющий блок ECU вмешивается путем деактивации первого перепускного механизма 3, 4 и путем последующей активации КВД 5, чтобы произвести дополнительный наддув воздуха, увеличить значение лямбда и понизить температуру сгорания топлива. Со ссылкой на условие, указанное в п.б), значение лямбда вычисляется электронным управляющим блоком ECU исходя из соотношения количеств воздуха и топлива в соответствии со следующей формулой:
стехиометрическое
Лямбда=AFR/AFR
стехиометрическое
где AFR (air-fuel ratio) определяется как масса воздуха, деленная на массу топлива, a AFR равно 14,545 для дизельных двигателей. Установлено, что наибольший кпд при наименьшем дымлении достигается, когда лямбда имеет значение в диапазоне от 1,4 до 1,8. Когда значение лямбда, вычисленное электронным управляющим блоком ECU (см. выше) или альтернативно измеренное лямбда зондом, выходит из этого диапазона, то первый перепускной механизм 3, 4 активируется/деактивируется и в зависимости от наступившего случая. В частности, если значение лямбда в КВД 5 ниже 1,4, то первый перепускной механизм 3, 4 деактивирован (клапан 4 закрыт). На практике клапан 4 перепускного механизма закрыт, если значение лямбда слишком мало (менее 1,4). В таких условиях муфта соединительной коробки 10 соединена, чтобы обеспечить требуемое значение лямбда. Если значение лямбда остается слишком низким даже в таких условиях (первый перепускной механизм 3, 4 деактивирован, а муфта активирована), то согласно стратегии управления муфта деактивируется и рабочая конфигурация переключается с первой конфигурации («одноступенчатая конфигурация») на упомянутую выше четвертую конфигурацию двигательной установки, чтобы попытаться достичь требуемого значения лямбда. В частности, в такой четвертой конфигурации первый перепускной механизм 3, 4 деактивирован, а ТНД 7 и КВД 5 вращаются вхолостую как турбонагнетатель с более высокими оборотами без соединения с коленчатым валом ДВС 1. Напротив, когда значение лямбда становится выше 1,8, то первый перепускной механизм 3, 4 активируется (клапан 4 открывается).
При выполнении условия, указанного в пункте в), если двигательная установка находится, например, в упомянутой выше одноступенчатой конфигурации, то при малых оборотах двигателя (т.е. при низком массовом расходе воздуха) перепад давления, создаваемый КНД 11 (т.е. соотношение между давлениями на входе и выходе КНД И), должен быть увеличен с целью повышения крутящего момента двигателя. Это достигается путем деактивации первого перепускного механизма 3, 4.
Рабочая карта КНД 11 четко ограничена границей помпажа при повышении давления. При работе компрессора КНД 11 выше границы помпажа нестационарные импульсы будут разрушать рабочее колесо. Положение границы помпажа на рабочей карте КНД 11 зависит от конструкции компрессора и производителя. Согласно изобретению для увеличения перепада давления при низком массовом расходе воздуха используется КВД 5. Путем распределения перепада давления с одного (КНД) на два компрессора (КНД и КВД) можно добиться более высокого перепада давления, не выходя за границу помпажа КНД 11. Очевидно, что при большем массовом расходе воздуха один компрессор (КНД) может обеспечить заявленный перепад давления без помпажа, так что может быть активирован первый перепускной механизм 3, 4, а КВД 5 деактивирован.
При выполнении условия, указанного в пункте г), во время фазы торможения двигателя транспортного средства первый перепускной механизм 3, 4 деактивирован (КВД 5 активно работает на увеличение массового расхода воздуха), чтобы увеличить мощность торможения двигателя. В частности, при деактивации первого перепускного механизма 3, 4 КВД 5 работает над входящим воздушным потоком с целью преобразования энергии из силовой передачи в механическую энергию ведомого КВД 5. Режим торможения двигателя является результатом требования водителя транспортного средства, который с помощью, например, переключателя или педали тормоза посылает сигнал в электронный управляющий блок ECU, который проверяет рабочие параметры двигателя и активирует режим торможения. В частности, электронный управляющий блок ECU деактивирует первый перепускной механизм 3, 4, как это описано выше.
Двигательная установка 1 предпочтительно содержит также систему рециркуляции ОГ (в дальнейшем система EGR - Exhaust Gas Recirculation) для уменьшения образования оксидов азота при сгорании топлива. Система EGR управляется разностью давления на впуске 27 ДВС, то есть давления, измеренного в непосредственной близости от конца впускной линии 2, и давления на выходе ДВС 1, т.е. давления, измеренного в коллекторе 20, т.е. в начале выпускной линии 20 перед ТВД 6. Если давление на впуске 27 выше, чем давление на выходе 20 (отрицательный наддув), рециркуляция ОГ возможна, и наоборот. Поэтому в соответствии с настоящим изобретением массовый расход системы EGR регулируется путем активации/деактивации первого перепускного механизма. В частности, при активации первого перепускного механизма 3, 4 КВД 5 воздействует на всасываемый массовый расход воздуха, увеличивая давление на впуске 27 и, следовательно, восстанавливая условия для рециркуляции ОГ.
Обобщая вышеизложенное, предлагаемая в изобретении двигательная установка 1 переходит в «двухступенчатую конфигурацию» путем деактивации первого перепускного механизма 3, 4 (т.е. путем приведения в действие КВД 5) с целью:
- увеличения давления наддува и снижения температуры ОГ и улучшения переходной характеристики при малых оборотах двигателя и малом массовом расходе и
- смещения рабочей линии двигателя из области помпажа КНД 11 на рабочей карте, когда требуется большой перепад давления при низком массовом расходе, и
- увеличения эффективной мощности двигателя.
Вследствие этого при использовании настоящего изобретения обеспечивается ряд преимуществ:
- объединение в одной схеме двигательной установки полезных свойств одинарных и сдвоенных турбокомпаундных систем с двухступенчатым турбонаддувом и механических компрессоров высокого давления,
- улучшение переходной характеристики двигателя,
- увеличения эффективной мощности двигателя,
- улучшение стратегии рекуперации.
Для того чтобы лучше объяснить преимущества, получаемые при использовании настоящего изобретения, здесь определены некоторые полезные параметры:
- индикаторное среднее эффективное давление IMEP (от англ. indicated mean effective pressure) - это «среднее давление» в цилиндре двигателя во время рабочего цикла, определяемое по индикаторной диаграмме. «Средним давлением» является давление, создающееся в камере сгорания во время рабочего цикла. Это выражение теоретической, без учета сил трения мощности, известной как номинальная мощность в лошадиных силах. В дополнение к тому, что в этом параметре совершенно не учитываются потери мощности на трение, номинальная мощность в лошадиных силах не содержит никакой информации о том, какая фактическая мощность подается на карданный вал для совершения полезной работы. Тем не менее, этот параметр связан с фактическими давлениями, которые возникают в цилиндре, и может быть использован в качестве меры такого давления. IMEP равно сумме «среднего эффективного давления при испытании на тормозной установке» (далее ВМЕР, от англ. brake mean effective pressure) и «среднего эффективного давления трения» (далее FMEP, от англ. friction mean effective pressure);
выхода
- Р = давление после двигателя (на выходе 20);
впуска
- Р = давление перед двигателем (на впуске 27);
двигателя
- Р = мощность на коленчатом валу;
рекуперации
- Р = рекуперированная мощность.
Любой технический процесс производства энергии сопровождается потерями энергии и ростом энтропии. Потери энергии происходят во время транспортировки, преобразования, получения, применение, и это неизбежно. В дополнение к природному закону роста энтропии большое количество энергии в виде тепла теряется впустую. «Системы рекуперации тепла ОГ» утилизируют часть некоторых потерь и тем самым повышают кпд термодинамических циклов;
- энергетический потенциал газообмена EPGE (от англ. energy potential gas exchange) является переданной во время обмена энергией. Если работа на наддув положительна, то двигатель не выполняет никакой работы по заполнению и опорожнению цилиндра рабочей текучей средой. Таким образом, если работа на наддув положительна, то кпд двигателя увеличивается (EPGE+).
Если работа на наддув отрицательна, то двигателю необходимо затратить некоторую энергию на газообмен (EPGE-), следовательно, кпд снижается;
- рекуперированная часть энергии PFRC (от англ. power fraction recuperation) является энергией. Системы с рекуперацией тепловых потерь могут вторично использовать часть некоторых потерь и тем самым повышать кпд термодинамических циклов. PFRC - это процентное отношение мощности двигателя к рекуперированной мощности (от ОГ на коленчатом валу);
- потенциал экономии топлива POFS (от англ. potential of fuel saving) (безразмерный коэффициент); этот параметр может быть описан также с помощью следующих уравнений:
POFS=EPGE+PFRC
выхода
впуска
двигателя
рекуперации
POFS=(IMEP/Р-Р)+(Р/Р)
Таким образом, EPGE и PFRC влияют на кпд двигателя.
Системы с рекуперацией ОГ, как правило, имеют более высокое противодавление (давление газов на выходе) и отрицательную работу на наддув.
Стандартные двухступенчатые системы турбонаддува не могут рекуперировать энергию, но они могут обеспечить положительную работу на наддув.
Негативные воздействие EPGE может быть компенсировано путем увеличения PFRC.
На Фиг.3, 4 и 5 сравниваются несколько схем наддува применительно к одному и тому же ДВС (Курсор™):
- с изменяемой геометрией турбины [VTG] (на диаграммах обозначена пустыми ромбами);
- с двухступенчатым турбонаддувом [2Stage] (на диаграммах обозначена пустыми кружками);
- одиночная турбокомпаундная [TCD] схема с одноступенчатым турбонаддувом (на диаграммах обозначена короткими штрихами);
- двойная турбокомпаундная [ТС2] схема, а именно схема двухступенчатого турбонаддува, описанная в публикации ЕР 2042705 (на диаграммах обозначена пустыми треугольниками);
- вариант осуществления настоящего изобретения (iTC) (на диаграммах обозначен пустыми квадратиками).
В частности, диаграммы на Фиг.3-5 приведены для сравнения соответствующих указанных величин: POFS, EPGE, PFRC.
С 800-1500 оборотов в минуту предлагаемая в настоящем изобретении двигательная установка работает как двухступенчатая турбокомпаундная система (КВД и ТНД соединены с коленчатым валом). Начиная с 1500-2200 оборотов в минуту КВД 5 деактивируется первым перепускным механизмом, в то время как ТНД 7 по-прежнему остается активированной.
Из диаграммы, приведенной на Фиг.3, видно, что предлагаемая в настоящем изобретении схема показывает по сравнению с известными схемами удивительное снижение экономии топлива, начиная примерно с 1500 оборотов в минуту коленчатого вала двигателя. В соответствии с этим результатом также диаграмма на Фиг.5 демонстрирует рост PFRC при увеличении частоты вращения двигателя выше 1500 оборотов в минуту. Также диаграмма на Фиг.4 показывает более низкий EPGE, начиная примерно с 1500 оборотов в минуту коленчатого вала двигателя.
Похоже, что общий POFC ниже по сравнению с турбокомпаундной схемой TCD, однако удельная мощность в предлагаемой в настоящем изобретении схеме увеличена с 34 кВт/л в TCD до 38 кВт/л в iTC.
Правильно сравнивать предлагаемую в настоящем изобретении схему iTC с предлагаемой в патенте ЕР 2042705 схемой ТС2, в которых обе системы имеют одинаковую удельную мощность. Отсюда следует, что потенциал экономии топлива POFC явно улучшился.
Согласно настоящему изобретению холостой ход в двухступенчатом режиме, т.е. когда КВД 5 и ТНД 7 деактивированы, может быть использован для получения более положительной работы на наддув в зоне рабочей карты ниже 50% от номинальной мощности. Этот режим работы не показан на Фиг.2-5.
Точка переключения КВД и ТНД не является фиксированной и зависит от характеристик двигателя, целевой мощности, свойств турбин и т.п.
Кроме того, достигается лучшая переходная характеристика по сравнению со схемой, описанной в публикации ЕР 2042705, а также схемой, описанной в публикации DE 102005003714, из-за меньшего объема воздуха на стороне высокого давления схемы высокого давления. Отсюда и более низкие уровни дымления на переходных режимах работы.
Кроме того, по сравнению со стандартной одноступенчатой турбокомпаундной схемой настоящее изобретение характеризуется:
- более низкой эмиссией дыма и более низкой рабочей температурой при низкой частоте вращения двигателя,
- повышенной удельной мощностью, особенно при низкой частоте вращения двигателя.
Следует отметить, что в режиме торможения предлагаемая в настоящем изобретении двигательная установка 1 создает более высокий крутящий момент при более низкой частоте вращения двигателя по причине меньшей турбины высокого давления, т.е. большего наддува по сравнению со схемой, описанной как в публикации ЕР 2042705, так и в публикации DE 102005003714. Оба варианта позволяют снизить потребность в мощности соединенного с двигателем нагнетателя при высокой частоте вращения двигателя, когда целевое значение лямбда достигнуто. Таким образом, расход топлива сильно снижается.
Различные изменения, модификации, вариации и другие варианты использования и применения настоящего изобретения очевидны для специалистов в данной области техники после рассмотрения описания и прилагаемых к нему чертежей, которые раскрывают предпочтительные варианты осуществления изобретения. Все такие изменения, модификации, вариации и другие варианты использования и применения изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема изобретения, считаются, охваченными настоящим изобретением.
Дальнейшие подробности реализации изобретения здесь не описываются, так как специалист в данной области техники может реализовать изобретение на основании приведенного выше описания.