СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ДВОЙНЫМ НАДДУВОМ НА СЖИЖЕННОМ ПРИРОДНОМ ГАЗЕ
POWER SUPPLY SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH DOUBLE SUPERCHARGING ON LIQUEFIED NATURAL GAS

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к системам питания двигателей внутреннего сгорания (ДВС), использующим в качестве топлива сжиженный природный газ (СПГ). Суть изобретения заключается в повышении тягово-мощностных характеристик ДВС, осуществляющего работу в шеститактном режиме с использованием системы впрыска сжиженного газа-охладителя, посредством повышения интенсивности подачи воздуха в цилиндры камеры сгорания. Данное изобретение актуально для применения автотранспорте, работающем на сжиженном газомоторном топливе.
Известен двигатель-компрессор [патент RU 2116509 от 27.07.1998], содержащий блок цилиндров, внутри которого установлены поршни, связанные с коленчатым валом с помощью шатунов, и головки цилиндров, содержащие распределительный вал, коромысла, впускной и выпускной клапаны, расположенные во впускном и выпускном каналах головки соответственно. Данное устройство позволяет снизить газодинамическое сопротивление впускных клапанов рабочих цилиндров двигателя за счет оппозитного расположение кулачков на распределительном валу при совершении рабочего цикла в конвертированном цилиндре.
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания с чередованием четырех рабочих тактов, основанных на расширении газообразных продуктов сгорания, и двух тактов расширения паров сжиженного газа-охладителя [патент RU 2296233 от 27.03.2007]. Данный способ заключается в использовании сжиженного природного газа в качестве охладителя ДВС с последующим его применением в качестве топлива для ДВС.
Известна система питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газом [патент RU 2430258 от 27.09.2011]. Система представляет собой газовый баллон, содержащий блок запорно-контрольной и предохранительной арматуры, газонепроницаемый кожух с трубками для вывода газа, вентиль паровой фазы газа, вентиль сжиженной фазы газа, заправочный вентиль сжиженной фазы газа, связанный криогенны трубопроводом с выносной заправочной горловиной, газовый предохранительный клапан, редуктор-испаритель, устройство контроля давления в примере исполнения реле давления, приемный коллектор, двигатель внутреннего сгорания, и другие устройства. Данное изобретение позволяет расширить диапазон рабочих температур системы питания ДВС сжиженным газом, без предварительного прогрева сторонними источниками тепла, путем использования паровой фазы, что позволяет осуществлять быстрый запуск двигателя в холодный период года. Указанное изобретение принято за прототип предлагаемого.
Недостатком данной системы является низкая экономическая эффективность использования газомоторного топлива (ГМТ) вследствие работы ДВС не в шеститактном режиме, а также необходимость применения битопливной системы. Кроме того, отсутствие принудительной подачи воздуха в блок цилиндров двигателя приводит к тому, что в цилиндрическую полость поступает меньшее количество воздуха, чем необходимо как на средних, так и на высоких оборотах. Таким образом, при достижении третьего такта работы ДВС в ходе воспламенения горючей смеси и совершения рабочего хода нагрев камеры сгорания происходит не в полной мере, что приводит к ощутимому снижению мощности двигателя.
Задачей изобретения является обеспечение принудительного поступления воздуха в цилиндры путем установки системы наддува с применением турбо- и электрокомпрессора, что позволит увеличить эффективность работы силовой установки.
Как известно, по системе подачи воздуха существует два типа двигателей: атмосферные и наддувные. Работа ДВС атмосферного типа основана на возникновении разреженности в пространстве цилиндра при обратном движении поршня, что приводит к поступлению воздуха внутрь впускного канала под действием атмосферного давления. Работа такого двигателя характеризуется малой эффективностью по причине низкого количества всасываемого воздуха, особенно при совершении высоких оборотов коленчатого вала. Недостаток воздуха также приводит к выбросу некоторого количества несгоревшего топлива через выхлопную систему автомобиля в атмосферу.
Помимо пониженного тепловыделения в процессе горения в цилиндрах атмосферного ДВС и, как следствие, его малой мощности, недостатком устройства является то, что при использовании СПГ в одних и тех же режимах с нефтяными топливами происходит дополнительное снижение тягово-мощностных характеристик по причине малой энергетической емкости сжиженного газа. Для компенсации данного эффекта устанавливается турбокомпрессор, который совершает работу под действием кинетической энергии выхлопных газов, имеющих большое начальное давление и расширение. Однако данный механический нагнетатель достигает высокой производительности только при постоянных высоких оборотах коленчатого вала. В режиме неустановившихся оборотов, например при резком ускорении автомобиля, когда потока выхлопных газов не достаточно для вращения крыльчаток турбины будет происходить импульсивное падение мощности - турболаг. С целью обеспечения бесперебойной подачи воздуха при знакопеременных ускорениях автомобиля предусматривается дополнительно электрокомпрессор.
Технический результат достигается за счет того, что в систему питания двигателя внутреннего сгорания с наддувом на сжиженном природном газе, включающую в себя малолитражный криогенный бак СПГ с герметичным газонепроницаемым кожухом, содержащим запорно-контрольную арматуру, представляющую собой запорно-регулировочный вентиль жидкой фазы, запорно-регулировочный вентиль паровой фазы, заправочный вентиль сжиженной фазы, соединенный криогенным трубопроводом с выносной заправочной горловиной через обратный клапан, систему сброса СПГ в окружающий воздух, включающую предохранительные клапаны и клапан аварийного сброса, трубопровод подачи жидкого топлива, трубопровод подачи газообразного топлива, бак компримированного (сжатого) природного газа (КПГ), фильтр очистки газа, две топливные рампы подачи СПГ и КПГ, выпускной коллектор паровой фазы, турбодетандер с аккумулятором, компрессор, магистраль подачи паровой фазы газа из топливной рампы подачи СПГ в бак КПГ, систему принудительного питания камер сгорания (КС) воздухом, включающую воздушные фильтры низкого сопротивления, турбину, соединенную валом с компрессором, впускные и воздушные тракты, коллектор впуска и коллектор отработавших газов (ОГ), дроссельный клапан, датчик вращения, управляющее устройство, соединенное с электрокомпрессором линией управления, указанный двигатель внутреннего сгорания включает блок цилиндров, содержащий поршни, соединенные шатунами с коленчатым валом, при этом топливная рампа подачи СПГ установлена между жидкостным редуктором и двигателем, соединена с ними трубопроводами подачи жидкого топлива; выпускной коллектор паровой фазы установлен между двигателем и турбодетандером и соединен с ними трубопроводами; турбодетандер установлен между выпускным коллектором паровой фазы и компрессором, соединен с ними трубопроводами; компрессор установлен между турбодетандером и баком КПГ и соединен с ними трубопроводами; бак КПГ установлен между компрессором и фильтром очистки газа и соединен с ними трубопроводами.
В одном из вариантов, на воздушном тракте установлен жидкостный редуктор для контроля лишнего давления.
В одном из вариантов, воздушные фильтры низкого сопротивления снижают нагрузку на работу турбокомпрессора.
При условии работы силовой установки в режиме установившихся оборотов без знакопеременных ускорений для эффективной работы ДВС предусмотрено механическое всасывание воздуха по впускному тракту в коллектор впуска с применением турбокомпрессора, приводящегося в движение от кинетической энергии отработавших газов. В ситуации, когда двигатель работает на низких оборотах датчик вращения подает сигнал на управляющее устройство, которое приводит в действие электрокомпрессор. Это позволяет увеличить давление поступающего воздуха в воздушный тракт, что ускоряет автомобиль даже с холостых оборотов, после чего включается обычная турбина.
На фиг. 1 показана принципиальная пневмогидравлическая схема системы питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным природным газом с принудительной подачей воздуха в блок цилиндров ДВС. Она включает в себя следующие функциональные элементы: 1 - изотермический криогенный бак СПГ; 2 - газонепроницаемый кожух; 3 - заправочный вентиль жидкой фазы; 4 - выносная заправочная горловина; 5, 10, 14, 22, 32, 53 - обратный клапан; 6 - заправочный криогенный трубопровод; 7 - запорно-регулировочный вентиль жидкой фазы; 8 - топливная рампа подачи СПГ; 9 - подающий трубопровод; 11 - жидкостный редуктор; 12 - запорно-регулировочный вентиль паровой фазы; 13 - Бак КПГ; 15 - компрессор; 16 - трубопровод подачи газообразного топлива; 17, 23 54 - предохранительный клапан; 18 - клапан аварийного сброса; 19 - топливные форсунки; 20 - цилиндры; 21 - ДВС; 24 - поршень; 25 - шатун; 26 - коленчатый вал; 27 - впускной тракт; 28, 41 - воздушный фильтр низкого сопротивления; 29 - компрессор; 30 - вал; 31 - турбина; 33 - дроссельный клапан; 34 - коллектор впуска; 35 - впускной канал; 36 - выпускной канал; 37 - выпускной коллектор отработавших газов; 38 - воздушный тракт; 39 - электрокомпрессор; 40 - дополнительная линия подачи воздуха; 42 - линия управления; 43 - управляющее устройство; 44 - датчик вращения; 45 - выпускной коллектор паровой фазы; 46 - турбодетандер; 47 - аккумулятор; 48 - заправочный вентиль; 49 - блок запорно-контрольной арматуры бака КПГ; 50 - вентиль подачи газа; 51 - топливная рампа подачи КПГ; 52 - фильтр очистки газа.
Система питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным природным газом включает в себя устройство для хранения криогенного топлива - изотермический криогенный бак СПГ 1, содержащий газонепроницаемый кожух с блоком запорно-контрольной арматуры 2, заправочный вентиль жидкой фазы 3, соединенный с выносной заправочной горловиной 4 через обратный клапан 5 с помощью заправочного криогенного трубопровода 6, запорно-регулировочный вентиль жидкой фазы 7, связанный с топливной рампой подачи СПГ 8 подающим трубопроводом 9, на котором установлены обратный клапан 10 и жидкостный редуктор 11, запорно-регулировочный вентиль паровой фазы 12, с помощью которого осуществляется отвод испарившегося СПГ в бак КПГ 13 через обратный клапан 14 и компрессор 15 по трубопроводу подачи газообразного топлива 16, дополнительно предусматривающего систему дренажа, включающую предохранительные клапаны 17 и клапан аварийного сброса 18.
Топливная рампа подачи СПГ 8 сообщается магистралями с топливными форсунками 19, осуществляющими принудительный впрыск топлива в камеру сгорания цилиндров 20 ДВС 21. Кроме того, топливная рампа подачи СПГ 8 связана с компрессором 15 дополнительным трубопроводом, на которой расположены обратный клапан 22 и отвод с предохранительным клапаном 23.
В цилиндрах 20 ДВС 21 размещены поршни 24, соединенные шатунами 25 с коленчатым валом 26. Нагнетание воздуха в цилиндры 20 производится от впускного тракта 27, на котором установлен воздушный фильтр низкого сопротивления 28, при помощи компрессора 29, соединенного валом 30 с турбиной 31, через обратный клапан 32, дроссельный клапан 33 и коллектор впуска 34, который подключен к каждому цилиндру 20 отдельным впускным каналом 35. Цилиндры 20 ДВС 21 соединены выпускными каналами 36 с выпускным коллектором отработавших газов 37, который связан воздушным трактом 38 с турбиной 31 компрессора 29.
Система наддува двигателя оснащена электрокомпрессором 39, осуществляющем нагнетание воздуха в режиме неустановившихся оборотов, который установлен на дополнительной линии подаче воздуха 40 после воздушного фильтра низкого сопротивления 41. Дополнительная линия подачи воздуха 40 подключена к основному воздушному тракту 38 между обратным клапаном 32 и дроссельным клапаном 33. Электрокомпрессор 39 связан линией управления 42 с управляющим устройством 43, которое также сообщается линией управления 42 с датчиком вращения 44.
Блок цилиндров 20 соединен с выпускным коллектором паровой фазы 45, связанным криогенным трубопроводом с турбодетандером 46, который подключен к аккумулятору 47. Нагнетание охлажденного в турбодетандере 46 газообразного метана через заправочный вентиль 48 в бак КПГ 13, содержащего блок запорно-контрольной арматуры 49, осуществляется компрессором 15. Вентиль подачи газа 50, расположенный внутри бака КПГ 13, соединен с рамой подачи КПГ 51 криогенным трубопроводом, на котором установлены фильтр очистки газа 52 и обратный клапан 53. На участке магистрали между вентилем подачи газа 50 и фильтром очистки газа 28 расположен предохранительный клапан 54.
Система питания ДВС работает следующим образом. Хранение сжиженного газа осуществляется в изотермическом криогенном баке СПГ 1, заправка которого производится с помощью выносной заправочной горловины 4 по заправочному трубопроводу 6 через обратный клапан 5 к заправочному вентилю жидкой фазы 3. Внутри изотермического криогенного бака СПГ 1 расположен газонепроницаемый кожух 2, защищающий криогенный продукт от внешних воздействий и предотвращающий его испарение в атмосферу. В ходе совершения двигателем шеститактного цикла срабатывает жидкостный редуктор 11 и открывается запорно-регулировочный вентиль жидкой фазы 7, что приводит к поступлению криогенного топлива по подающему трубопроводу 9 через обратный вентиль 10, обеспечивающий однонаправленное движение жидкости, к топливной рампе подачи СПГ 8, которая распределяет жидкий метан к топливным форсункам 19 и предотвращает пульсации топлива в контуре.
В цилиндрах 20 ДВС 21 при выполнении пятого такта реализуется впрыск жидкой фазы криогенного топлива в камеру сгорания. В результате происходит поглощение теплоты, образованной во время горения в цилиндрах 20, сопровождающееся охлаждением камеры сгорания двигателя и регазификацией сжиженного газа, при котором его температура повышается до (500-600)°K. Переход СПГ в газообразное состояние протекает параллельно с его расширением, что приводит к обратному движению поршня 24 и совершению рабочего такта. Газообразное топливо поступает по криогенным трубопроводам (на фигуре не показаны) в выпускной коллектор паровой фазы 45, из которого направляется в турбодетандер 46, выполняющий циклическое охлаждение газа до температуры (310-325)°K, в процессе которого происходит вращение лопаток и, как следствие, вырабатывание электроэнергии, которая подается на аккумулятор 47.
После охлаждения газообразное топливо нагнетается компрессором 15 в бак КПГ 13 через заправочный вентиль 48. Помимо линии подачи газообразной фазы СПГ из турбодетандера 46 компрессор 15 связан магистралями с изотермическим криогенным баком СПГ 1 и топливной рампой подачи СПГ 8. Подача компрессором 15 паров метана в бак КПГ 13 из изотермического криогенного бака СПГ 1 выполняется в том случае, когда в нем необходимо снизить избыточное давление, превышающее верхнюю границу рабочего давления, в результате чего срабатывает запорно-регулировочный вентиль паровой фазы 12 и газ направляется в трубопровод подачи газообразного топлива 16, проходя через обратным клапаном 14. Из топливной рампы подачи СПГ 8 компрессором 15 производится отбор газообразного топлива, образовавшегося во время его транспортировки по подающему трубопроводу 9, посредством магистрали, через обратный клапан 22 и предохранительный клапан 23.
Бак КПГ 13, функция которого заключается в аккумулировании газообразного топлива, сглаживании неравномерности подачи паров СПГ в силовую установку и облегчении запуска двигателя в холодный период года, содержит блок запорно-контрольной арматуры 49, осуществляющей запорно-регулировочную и контрольную функции, а также вентиль подачи газа 50. Из бака КПГ 13 газ поступает в топливную рампу подачи КПГ 51, проходя через предохранительный клапан 54 для аварийного сброса компримированного газа, фильтр очистки газа 52, осуществляющего удаление продуктов сгорания, и обратный клапан 53. Далее газообразное топливо подается по магистралям на топливные форсунки 19.
При работе ДВС 21 в режиме высоких оборотов коленчатого вала 26 в момент совершения первого такта - впрыска топливными форсунками 19 КПГ внутрь камеры сгорания - осуществляется параллельная подача воздуха в блок цилиндров 20 по системе наддува. Всасываемый из атмосферы воздух проходит по впускному тракту 27 через воздушный фильтр низкого сопротивления 28, который предотвращает поступление частиц пыли в рабочую полость двигателя. В ходе вращения лопастей (на фигуре не показаны) компрессора 29 происходит сжатие воздуха и подача его в коллектор впуска 34, связанного с цилиндрами 20 впускными каналами 35, по воздушному тракту 38 через обратный клапан 32. В ситуациях, когда рабочее давление, создаваемое вращающимся компрессором 29, превышает предельные значения, может произойти повреждение двигателя. С целью предотвращения данного эффекта на воздушном тракте 38 до коллектора впуска 34 установлен дроссельный клапан 33, который обеспечивает дозирование газа в двигатель на основных режимах.
Вращение компрессора 29 выполняется за счет движения отработавших газов, которые удаляются из цилиндров 20 при совершении четвертого такта рабочего цикла, когда под воздействием шатунов 25, связанных с коленчатыми валами 26, поршни 24 перемещаются из нижней мертвой точки вверх. По мере движения поршня 24 объем камеры сгорания уменьшается и выхлопные газы под давлением направляются по выпускным каналам 36 в выпускной коллектор отработавших газов 37, откуда поступают в воздушный тракт, соединенный с турбиной 31. Воздействуя на лопатки колеса (на рисунке не показаны) выхлопные газы раскручивают турбину 31, которая с помощью вала 30 передает вращательное движение компрессору 29. Таким образом, при высоких оборотах, система будет отличаться особой производительностью, а поток выхлопа увеличится в разы.
В том случае, когда работа ДВС 21 переходит с низких и низко средних оборотов на высокие, мощности компрессора 29 из-за малой энергии давления выхлопных газов недостаточно для мгновенного повышения давления в системе наддува воздуха и подачи необходимого количества воздушного потока в цилиндры 20, в результате чего происходит трехсекундная задержка мощности, сопровождающаяся характерным хлопком, который создают неиспарившиеся микро капли топлива, которые не успевают полностью сгореть в такте сгорания. Для решения данной проблемы используется дополнительная система подачи воздуха. В момент перехода с низких оборотов коленчатого вала 26 к высоким оборотам от датчика вращения 44 по линии управления 42 поступает сигнал на управляющее устройство 43, которое выполняет обработку поступающей информации. После этого управляющее устройство 43 формирует сигнал на включение электрокомпрессора 39, в результате чего происходит нагнетание воздуха через воздушный фильтр низкого сопротивления 41, дроссельный клапан 33 и коллектор впуска 34 в цилиндры 20 ДВС 21.
Таким образом, разработанная система питания двигателя внутреннего сгорания с двойным наддувом на сжиженном природном газе позволяет увеличить тягово-мощностные характеристики ДВС, работающего по шеститактной схеме с чередованием рабочих тактов расширения газообразных продуктов сгорания и рабочих тактов расширения паров газа-охладителя, путем функционирования системы принудительной подачи воздуха как в режиме установившихся, так и неустановившихся оборотов.