ВЫСОКОЭКОНОМИЧНЫЙ ДВС БОРТОВОГО ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА НАКОПИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК ГОРОДСКОГО ОБЩЕСТВЕННОГО ТРАНСПОРТА

Техническое решение относится к автомобилестроению. В частности, к высокоэкономичным двигателям внутреннего сгорания (ДВС) бортовых зарядных устройств (ЗУ) накопителей электрических силовых установок городского общественного транспорта (далее в описании высокоэкономичный ДВС).
Бортовое ЗУ, размещенное непосредственно на транспортном средстве, включает в себя высокоэкономичный ДВС, приводящий в движение электрогенератор для выработки электрического тока для заряда накопителей (аккумуляторных батарей) электрических силовых установок городского общественного транспорта.
В отличие от стационарных ЗУ, предназначенных для заряда накопителей электрических силовых установок во время остановок, бортовое ЗУ способно осуществлять заряд накопителей непосредственно во время движения, значительно увеличивая продолжительность автономного пробега электрического транспортного средства.
Ключевым элементом бортового зарядного устройства накопителей является его первичный источник энергии - двигатель внутреннего сгорания, от характеристик которого в первую очередь зависят топливная экономичность и экологическая безопасность городского электрического транспорта.
Использование в бортовом зарядном устройстве высокоэкономичного ДВС, в котором реализован процесс быстрого сгорания гомогенной разбавленной смеси с управляемым самовоспламенением, позволяет сократить выбросы вредных веществ с отработавшими газами (ОГ), а также снизить эксплуатационные расходы на функционирование электрического городского транспорта более чем на 20%.
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 ОГ, имеющей необходимую температуру для реализации процесса управляемого гомогенного самовоспламенения.
В патенте GB 2420152 (F02B 29/04, F02B 33/34, F02B 33/44, F02B 37/00, F02B 37/02, F02B 37/04, F02B 37/18, F02B 39/04, F02B 15/04, опубл. 17.05.2006) представлен ДВС с турбонаддувом, способный работать с управляемым гомогенным самовоспламенением. 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 надувочного 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 рассмотренного двигателя 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.
В изобретении US 6675579 (F02B 29/04, F02B 3/00, опубл. 13.01.2004) представлен 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 которой может использоваться механический нагнетатель с приводом от коленчатого вала, турбокомпрессор или компрессор с электрическим приводом. 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.
Использование системы теплообменников для получения воздушной смеси с температурой, необходимой для реализации цикла с управляемым гомогенным самовоспламенением, можно отнести к недостатку рассмотренного двигателя. Размещение системы теплообменников представляет определенную сложность с точки зрения компоновки. Также применение системы приводит к увеличению массы и габаритов.
В системе рециркуляции ОГ подача горячих ОГ осуществляется перед турбокомпрессором на линии впуска, что увеличивает температуру колеса компрессора во время работы.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является двигатель, представленный в патенте US 20090178405 (F02B 33/44, опубл. 16.07.2009), в котором процесс сгорания с управляемым гомогенным самовоспламенением обеспечивается за счет изменения концентрации воздуха и рециркулируемых ОГ внутри цилиндра.
Двигатель включает в себя турбокомпрессор с регулируемым сопловым аппаратом, систему рециркуляции ОГ, состоящую из клапана рециркуляции и охладителя рециркулируемых ОГ, расположенных в отдельном канале рециркуляции ОГ, компрессор типа Roots с механическим приводом, установленный перед турбокомпрессором на линии впуска для дополнительной подачи воздуха, байпасный канал компрессора с клапаном для управления подачей воздуха турбокомпрессор, 2 охладителя надувочного воздуха, расположенные после компрессора с механическим приводом и турбокомпрессора, впускной коллектор и датчик массового расхода воздуха.
Оснащение двигателя компрессором с механическим приводом, турбокомпрессором, системой рециркуляции ОГ, когда объемная доля свежего воздуха и рециркулируемых ОГ, поступающих в цилиндры двигателя, может изменяется независимо друг от друга, позволяет эффективно управлять временем начала сгорания с управляемым гомогенным самовоспламенением, а также, путем изменения объема рециркулируемых ОГ, влиять на скорость нарастания давления в процессе сгорания для уменьшения жесткости сгорания, снижая уровень шума.
К недостатку рассмотренного двигателя следует отнести отсутствие смесителя ОГ, предназначенного для смешивания рециркулируемых ОГ с воздухом, что может вызвать неравномерное распределение ОГ в воздухе, что приведет к попаданию в цилиндры двигателя смеси воздуха с ОГ различного состава и температуры и в итоге привести к неравномерности работы двигателя или к отклонению времени начала сгорания с управляемым гомогенным самовоспламенением в отдельных цилиндрах.
Также в системе выпуска представленного двигателя перед турбокомпрессором отсутствует клапан перепуска ОГ, необходимый для регулирования давления и расхода ОГ через турбокомпрессор. Отсутствие перепускного клапана усложняет процесс управления турбокомпрессором.
Механический компрессор, входящий в состав ДВС, требует затрат энергии на привод, что тоже можно отнести к недостатку рассмотренного ДВС.
Эти недостатки устраняются предлагаемой полезной моделью.
Задача полезной модели заключается в оптимизации состава и систем высокоэкономичного ДВС с целью реализации процесса быстрого сгорания гомогенной разбавленной смеси с управляемым самовоспламенением для выполнения двигателем перспективных экологических требований и снижения расхода топлива.
Технический результат - снижение эксплуатационных расходов на функционирование электрического городского транспорта более чем на 20%, выполнение перспективных экологических требований и увеличение запаса хода электромобиля не менее, чем в 1,5 раза при неизменной емкости накопителей в случае применения бортового ЗУ для их зарядки по сравнению с электромобилем без такого оборудования.
Этот технический результат достигается тем, что высокоэкономичный ДВС, содержащий турбокомпрессор с регулируемым сопловым аппаратом, систему рециркуляции ОГ, включающую в себя клапан рециркуляции, размещенный после турбокомпрессора на линии выпуска, датчик массового расхода воздуха, установленный на линии впуска перед турбокомпрессором, впускной коллектор и глушитель, расположенный после турбокомпрессора, дополнительно снабжен смесителем ОГ, установленным на входе во впускной коллектор двигателя и предназначенным для смешивания рециркулируемых ОГ с воздухом, клапаном перепуска ОГ, расположенным в перепускном канале линии выпуска перед турбокомпрессором, который необходим для регулирования давления и расхода ОГ через турбокомпрессор, дроссельным узлом, установленным после турбокомпрессора на линии впуска, и каталитическим нейтрализатором, размещенным в системе выпуска ОГ перед глушителем.
При такой конструкции высокоэкономичного ДВС обеспечивается реализация процесса быстрого сгорания гомогенной разбавленной смеси с управляемым самовоспламенением, сокращение выбросов вредных веществ с ОГ до уровня перспективных экологических требований и улучшение эксплуатационно-технических характеристик электрического городского транспорта.
Предложенная полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором изображена схема высокоэкономичного ДВС.
Высокоэкономичный ДВС 1, созданный на базе серийного бензинового двигателя с распределенным впрыском топлива, включает в себя турбокомпрессор 2 с регулируемым сопловым аппаратом, выпускной коллектор 3, канал перепуска ОГ 4, перепускной клапан 5, при этом канал перепуска ОГ 4 с перепускным клапаном 5 расположен параллельно турбине турбокомпрессора 2, впускной коллектор 6, дроссельный узел 7, смеситель 8, причем впускной коллектор 6 и смеситель 8 объединены в один узел, клапан рециркуляции ОГ 9, воздушный фильтр 10, датчик массового расхода воздуха 11, при этом воздушный фильтр 10 и датчик массового расхода воздуха 11 размещены на линии всасывания (в области низкого давления) перед турбокомпрессором 2, а дроссельный узел 7, смеситель 8 и клапан рециркуляции ОГ 9 установлены на линии нагнетания (в области высокого давления) после турбокомпрессора 2, каталитический нейтрализатор 12 и глушитель 13.
Концепция высокоэкономичного ДВС обеспечивает эффективную работу с минимальными вредными выбросами и расходом топлива на 4 фиксированных режимах:
1) Режим холодного пуска.
-1
Пуск высокоэкономичного ДВС 1 бортового ЗУ осуществляется автоматически, когда заряд накопителя упадет ниже заданного минимального уровня. Для достижения низких вредных выбросов CO и CH с ОГ пуск выполняется при повышенной до 1800-2200 мин частоте вращения коленчатого вала и температуре охлаждающей жидкости не ниже 20-30°C на стехиометрической или бедной смеси с принудительным зажиганием;
2) Режим прогрева.
-1
Для достижения перспективных показателей по вредным выбросам с ОГ обеспечивается максимально быстрый прогрев каталитического нейтрализатора 13 за счет позднего сгорания стехиометрической или бедной смеси с задержкой зажигания при постоянном расходе воздуха и повышенной до 1800-2200 мин частоте вращения холостого хода;
3) Режим максимальной эффективности.
x
-1
Режим используется при снижении запаса энергии накопителя до уровня, лежащего в диапазоне 40-80% полного. Достижение высоких показателей по топливной экономичности и выбросам NO с ОГ обеспечивается при практически полном открытии заслонки дроссельного узла 7 на частоте вращения 3000 мин за счет реализации рабочего процесса быстрого сгорания гомогенной разбавленной смеси с управляемым самовоспламенением. Низкие выбросы CO и CH с ОГ обеспечиваются окислением вредных веществ в каталитическом нейтрализаторе 13.
Контроль процесса сгорания в высокоэкономичном ДВС на данном режиме осуществляется за счет соответствующего регулирования температуры и давления воздуха на впуске;
4) Режим номинальной мощности.
-1
Режим используется в том случае, когда запас энергии накопителя составляет менее 40% полного уровня. Достижение высоких энергетических показателей и низких вредных выбросов с ОГ обеспечивается при полном открытии заслонки дроссельного узла 7 на частоте вращения 3000-3200 мин за счет сгорания стехиометрической смеси с принудительным зажиганием и каталитической нейтрализации ОГ.
В высокоэкономичном ДВС 1 для обеспечения процесса быстрого сгорания гомогенной разбавленной смеси с управляемым самовоспламенением необходимо повысить температуру смеси в конце такта сжатия до температуры самовоспламенения, для чего используется три источника тепловой энергии: теплота сжатия, выделяемая на тактах сжатия, теплота ОГ и теплота сжатия, создаваемая турбокомпрессором 2.
Теплота сжатия, создаваемая движением поршня, увеличивается с ростом степени сжатия двигателя. С другой стороны, при работе двигателя на режиме номинальной мощности с принудительным искровым зажиганием увеличение степени сжатия приводит к росту склонности двигателя к детонационному сгоранию. В связи с этим, для высокоэкономичного ДВС сохранена степень сжатия базового серийно выпускаемого двигателя, равная 11, которая является достаточно высокой для генерирования теплоты сжатия на режиме максимальной эффективности и одновременно позволяет обеспечить работу двигателя без детонации на режиме номинальной мощности при отключенном наддуве.
Второй источник теплоты - горячие ОГ - используется для увеличения температуры путем смешивания ОГ со свежим зарядом. Для этого в двигатель 1 введена система внешней рециркуляции ОГ, включающая в себя клапан рециркуляции ОГ 9 и смеситель 8. Система обеспечивает подвод части горячих ОГ из выпускной во впускную систему и регулировку их количества клапаном рециркуляции ОГ 9 в зависимости от режима работы двигателя.
Энергия третьего источника теплоты - турбокомпрессора - пропорциональна степени повышения давления наддува и зависит от режима работы двигателя и схемы системы рециркуляции ОГ. Предлагаемый в схеме подвод рециркулируемых ОГ в линию нагнетания компрессора, в отличие от подачи рециркулируемых ОГ в линию всасывания компрессора, обеспечивает более высокую степень повышения давления наддува благодаря увеличению расхода ОГ через турбину турбокомпрессора 2, что увеличивает частоту вращения компрессора, и меньший на ~100°C нагрев компрессора, что позволит обеспечить его более надежную работу.
Высокоэкономичный ДВС в режиме быстрого сгорания гомогенной разбавленной смеси с управляемым самовоспламенением работает следующим образом.
Воздух перед поступлением в двигатель 1 последовательно проходит через воздушный фильтр 10 и датчик массового расхода воздуха 11, после чего поступает в турбокомпрессор 2. Сжатый воздух направляется в дроссельный узел 7, который регулирует расход воздуха и косвенно влияет на расход рециркулируемых ОГ за счет изменения перепада давлений между впускным и выпускным коллекторами 6 и 3. После дроссельного узла 7 воздух поступает в смеситель 8, в котором происходит его равномерное смешивание с горячими ОГ. Образованная смесь воздуха с горячими ОГ через впускной коллектор 6 поступает в двигатель 1. Применение смесителя 8 обусловлено необходимостью подачи в каждый цилиндр высокоэкономичного ДВС 1 смеси воздуха с горячими ОГ с практически одинаковой температурой и концентрацией ОГ для достижения равномерности работы двигателя и исключения пропусков самовоспламенения.
ОГ из двигателя 1 по выпускному коллектору 3 поступают в турбокомпрессор 2 и далее в каталитический нейтрализатор 12, где происходит очистка ОГ от токсичных компонентов, и глушитель 13. Регулирование количества и давления ОГ, проходящих через турбокомпрессор 2, осуществляется с помощью перепускного клапана 5, расположенного в канале перепуска ОГ 4.
Внешняя рециркуляция ОГ выполняется с помощью клапана рециркуляции ОГ 9, установленного перед турбиной турбокомпрессора 2 и способного изменять объем рециркулируемых ОГ, направляемых во впускной коллектор 6 двигателя 1.