Устройство управляемого турбонаддува двигателя внутреннего сгорания
INTERNAL COMBUSTION ENGINE TURBOSUPERCHARGE CONTROL DEVICE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, оснащенным газотурбинным наддувом.
Большинство современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) оснащены системами газотурбинного наддува. Основной элемент таких систем - турбокомпрессор, объединяющий в общем корпусе турбину, использующую энергию отработавших газов, и компрессор, приводимый во вращение турбиной и сжимающий воздух, поступающий в цилиндры двигателя.
Предварительное сжатие воздуха в компрессоре позволяет увеличить наполнение цилиндров топливовоздушной смесью, что обеспечивает повышение мощности двигателя, а увеличенное количество воздуха способствует также снижению расхода топлива и уменьшению выбросов вредных веществ с отработавшими газами. При этом экономические и экологические показатели работы ДВС в значительной степени определяются давлением и температурой наддувочного воздуха, подаваемого во входной коллектор двигателя, а также эффективностью функционирования систем обработки отработавших газов, например, катализаторов, установленных в выпускном канале ДВС.
Известные устройства управления ДВС с турбонаддувом (патент РФ №2450133, патент РФ №2167325, патент РФ №2133353, патентная заявка США 2012/0109490 А1, патент США 8561403 В2, патент США 8406983 В2) обеспечивают автоматическую регулировку степени наддува путем управления байпасным клапаном, шунтирующим компрессор и/или перепускным клапаном, шунтирующим турбину. Однако недостатком таких устройств является высокая тепловая напряженность, повышенная склонность к налипанию сажи и, как следствие, невысокая надежность функционирования указанных клапанов. Кроме того, недостатком таких устройств управления является значительный выброс в атмосферу вредных веществ. Этому также способствует эффект «турбоямы», который не только снижает динамические характеристики двигателя, но и не позволяет обеспечить эффективное сгорание топлива при попытке резкого изменения числа оборотов двигателя.
Известны устройства управления ДВС с турбонаддувом. в которых обеспечивается впрыск воды в камеру сгорания двигателя (патент РФ №2260144, патент РФ №2527005, US 6637382 В1, DE 4416886 А1, DE 102014204509 А1). Такое решение позволяет снизить температуру бензовоздушной смеси впрыснутой водой. За счет введения микрокапель воды и водянного пара повышается степень сжатия двигателя, что приводит к улучшению динамических характеристик двигателя. Снижение температуры сгорания топлива при впрыске воды влияет на химические реакции горения. В результате уменьшается концентрация образующихся окислов азота и углерода. Однако в эксплуатационных условиях ДВС с впрыском воды в камеру сгорания работают не вполне устойчиво, особенно при полностью открытой дроссельной заслонке, при движении автомобиля на малой скорости. Все это связано с неравномерным распределением воды по цилиндрам двигателя. Кроме того, растворенные в воде соли приводят к образованию нагара в камере сгорания и к серьезным нарушениям работы двигателя уже через 200-300 часов его работы.
Известны устройства управления системами очистки отработавших газов в ДВС с турбонаддувом, в которых осуществляется впрыск воды в выходной коллектор ДВС (US 7065962 В2, US 5464458 В2, US 8601800 В2) с целью снижения токсичности отработавших газов. В результате в известных устройствах обеспечивается снижение содержания углерода, окиси углерода, углеводородов и окиси азота в выхлопных газах. Однако такое техническое решение не позволяет влиять на подготовку топливовоздушной смеси для ДВС и, как следствие, не позволяет оптимизировать режим его работы с точки зрения снижения уровня выбросов и улучшения динамики его работы. Кроме того, при впрыске воды в выходной коллектор ДВС не решается задача обеспечения оптимального диапазона температур отработавших тазов на входе катализатора, включенного в выходной тракт ДВС.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является устройство управления турбонаддувом и отработавшими газами двигателя внутреннего сгорания (патентная заявка US 2014/0325983 А1), содержащее турбонагнетатель, включающий турбину, снабженную перепускным клапаном, шунтирующим турбину, впуск которой соединен с выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания, и компрессор, снабженный байпасным клапаном, шунтирующим компрессор, выход которого через охладитель и дроссельную заслонку сообщен с входным коллектором двигателя внутреннего сгорания. Устройство также содержит катализатор, вход которого соединен с выпуском турбины, и блок управления, информационные входы которого электрически связаны с датчиками температуры и давления, установленными на входе компрессора, на входе дроссельной заслонки, на входном коллекторе, блоке цилиндров и выходном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, а также с датчиками контроля эмиссии отработавших газов, установленными на входе и выходе катализатора, при этом управляющий вход блока управления подключен к датчику акселератора, а управляющий выход подключен к дроссельной заслонке.
Известное устройство обеспечивает автоматическое регулирование, то есть управление давлением воздуха и составом смеси во входном коллекторе двигателя с целью снижения вредных выбросов в атмосферу на всех режимах работы. Однако, в связи с тем что для управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания в качестве исполнительных элементов используются байпасный и перепускной клапаны, снижается общая надежность контура управления турбонаддувом. При этом происходит повышение концентрации вредных выбросов на входе катализатора, в том числе сажи, что приводит к быстрому загрязнению активных элементов катализатора и, как следствие, снижению эффективности его работы. Кроме того, известное устройство подвержено «классическому» недостатку двигателей с турбонаддувом - возникновению эффекта «турбоямы», приводящему к снижению динамических характеристик двигателя. При этом эффективное сгорание топлива не обеспечивается при резком изменения числа оборотов двигателя, например при давлении на педаль акселератора.
В основу изобретения положена задача создать устройство управляемого турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, конструктивное выполнение которого обеспечивало бы улучшение динамики работы, повышение надежности контура регулирования турбонаддува за счет снижения тепловой нагрузки на исполнительные элементы, а также снижение выбросов вредных веществ в атмосферу за счет дополнительной очистки выхлопных газов на входе катализатора.
Поставленная задача решается тем, что устройство управляемого турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, содержащее турбонагнетатель, включающий турбину, впуск которой соединен с выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания посредством выходного патрубка, и компрессор, выход которого через охладитель и дроссельную заслонку сообщен с входным коллектором двигателя внутреннего сгорания, катализатор, вход которого соединен с выпуском турбины, и блок управления, информационные входы которого электрически связаны с датчиками температуры и давления, установленными на входе компрессора, на входе дроссельной заслонки, на входном коллекторе, блоке цилиндров и выходном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, а также с датчиками контроля эмиссии отработавших газов, установленными на входе и выходе катализатора, при этом управляющий вход блока управления подключен к датчику акселератора, а управляющий выход подключен к дроссельной заслонке, согласно изобретению, содержит модуль впрыска жидкости для снижения температуры отработавших газов, установленный в выходном патрубке двигателя внутреннего сгорания перед впуском турбины, датчики температуры и давления, установленные на впуске и выпуске турбины, и контроллер наддува, соединенный с блоком управления информационной шиной, при этом информационные входы контроллера наддува соединены с датчиками температуры и давления, установленными на входе дроссельной заслонки, выходном коллекторе двигателя внутреннего сгорания и на впуске и выпуске турбины, а управляющий выход контроллера наддува соединен с управляющим входом модуля регулируемого впрыска.
Конструктивно целесообразно, чтобы модуль впрыска жидкости для снижения температуры отработавших газов содержал форсунку, размещенную в выходном патрубке двигателя внутреннего сгорания, камеру для сбора жидкости, установленную напротив форсунки, резервуар, впуск которого сообщен посредством первой самотечной магистрали с выпуском камеры для сбора жидкости, управляемый вентиль, установленный на входе форсунки и имеющий управляющий вход, служащий управляющим входом модуля регулируемого впрыска, насосную станцию, вход которой сообщен с выпуском резервуара, а выход соединен посредством напорной магистрали с входом управляемого вентиля, первый фильтр, установленный между входом насосной станции и выпуском резервуара, и второй фильтр, установленный на первой самотечной магистрали между выпуском камеры для сбора жидкости и впуском резервуара.
Предпочтительно, чтобы устройство содержало датчик температуры жидкости в резервуаре, выход которого подключен к дополнительному информационному входу контроллера наддува, и размещенный в резервуаре нагреватель жидкости, управляющий вход которого подключен к дополнительному управляющему выходу контроллера наддува.
Полезно, чтобы что при наличии автомобильного кондиционера имелся поддон для сбора конденсата, размещенный под испарителем кондиционера, сообщенный посредством самотечной магистрали с первым дополнительным впуском резервуара.
Разумно, чтобы устройство содержало конденсатор, впуск которого соединен с выходом катализатора, а выпуск сообщен с атмосферой, при этом выпуск конденсатора сообщен посредством второй самотечной магистрали со вторым дополнительным впуском резервуара.
Целесообразно, чтобы в качестве жидкости использовались вода или водные растворы, нейтрализующие выбросы в отработавших газах.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение динамики при управлении работы двигателем и снижение токсичности выбрасываемых в атмосферу вредных веществ.
Указанный технический результат достигается за счет управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания посредством регулируемого впрыска жидкости непосредственно на впуске турбины.
В отличие от устройства, использованного в качестве прототипа (US 2014/0325983 А1), предложенная схема регулирования путем организации впрыска жидкости позволяет исключить негативное влияние высокотемпературных выхлопных газов на исполнительные элементы контура регулирования, тем самым повысив его надежность, а также обеспечить быстрое увеличение числа оборотов турбины за счет уменьшения интенсивности впрыска жидкости при резком нажатии на педаль акселератора, что снижает негативный эффект «турбоямы». Кроме того, впрыск жидкости позволяет обеспечить дополнительную очистку отработавших газов от вредных веществ на входе катализатора, что повышает надежность его функционирования, а также позволяет поддерживать температуру отработавших газов, оптимальную для активных элементов катализатора.
В отличие от известных (US 7065962 В2, US 5464458 В2, US 8601800 В2) устройств в заявленном устройстве впрыск жидкости в выходной патрубок двигателя внутреннего сгорания позволяет не только физически удалять вредные вещества из отработанных газов, но, что принципиально важно, уменьшить концентрацию этих веществ на выходе двигателя (до точки впрыска жидкости) путем соответствующей оптимизации режима работы двигателя за счет автоматического регулирования состава рабочей смеси во входном коллекторе.
Настоящее изобретение поясняется сопровождающим чертежом, который не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а является лишь иллюстрирующим материалом частного случая выполнения, на котором представлена функциональная схема устройства управляемого турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, согласно изобретению.
Устройство управляемого турбонаддува двигателя внутреннего сгорания содержит турбонагнетатель 1, включающий турбину 2 и компрессор 3, выход которого через последовательно включенные охладитель 4 и первую дроссельную заслонку 5 сообщен с входным коллектором 6 двигателя 7 внутреннего сгорания. Вход компрессора 3 соединен с воздушным фильтром 8, который соединен с атмосферой, а к выпуску турбины 2 подключен катализатор 9.
Устройство также содержит блок 10 управления, информационные входы которого электрически связаны с датчиками 11 температуры и давления, установленными на входе компрессора 3, на входе дроссельной заслонки 5, на входном коллекторе 6, блоке 12 цилиндров и выходном коллекторе 13 двигателя 7 внутреннего сгорания, а также с датчиками 14 контроля эмиссии отработавших газов, установленными на входе и выходе катализатора 9. Управляющий вход блока 10 управления подключен к датчику 15 акселератора, а управляющий выход подключен к дроссельной заслонке 5.
Отличительной особенностью патентуемого устройства является то, что оно содержит модуль 16 впрыска жидкости для снижения температуры отработавших газов, установленный в выходном патрубке 17 двигателя внутреннего сгорания перед впуском турбины 2, датчики 18 температуры и давления, установленные на впуске и выпуске турбины 2, и контроллер 19 наддува, соединенный с блоком 10 управления информационной шиной 20. Информационные входы контроллера 19 наддува соединены с датчиками 11 температуры и давления, установленными на входе дроссельной заслонки 5 и на выходном коллекторе 13 двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, к информационным входам контроллера 19 наддува подключены датчики 18 температуры и давления, установленные на впуске и выпуске турбины 2, а управляющий выход контроллера 19 наддува соединен с управляющим входом модуля 16 впрыска жидкости для снижения температуры отработавших газов. Блок 10 управления и контроллер 19 наддува могут быть выполнены в виде единого микроконтроллера.
1
1
В соответствии с настоящим изобретением модуль 16 впрыска жидкости для снижения температуры отработавших газов содержит форсунку 21, размещенную в выходном патрубке 17 двигателя 7 внутреннего сгорания вблизи впуска турбины 2, камеру 22 для сбора жидкости, установленную напротив форсунки 21, и резервуар 23, впуск которого сообщен посредством первой самотечной магистрали 24 с выпуском камеры 22 для сбора жидкости. Кроме того, модуль 16 впрыска жидкости для снижения температуры отработавших газов содержит управляемый вентиль 25 (в описываемом варианте электрически управляемый вентиль), установленный на входе форсунки 21 и имеющий управляющий вход, служащий управляющим входом модуля 16 впрыска жидкости для снижения температуры отработавших газов, насосную станцию 26, вход которой сообщен с выпуском резервуара 23, а выход соединен посредством напорной магистрали 27 с входом управляемого вентиля 25, первый фильтр 28, установленный между входом насосной станции 26 и выпуском резервуара 23, и второй фильтр 29, установленный на первой самотечной магистрали 24 между выпуском камеры 22 для сбора жидкости и впуском резервуара 23.
В соответствии с одним из вариантов выполнения изобретения патентуемое устройство оснащено датчиком 30 температуры жидкости в резервуаре, выход которого подключен к дополнительному информационному входу контроллера 18 наддува, и размещенным в резервуаре 23 нагревателем 31 жидкости, управляющий вход которого подключен к дополнительному управляющему выходу контроллера 18 наддува.
2
Патентуемое устройство содержит конденсатор 32, впуск которого соединен с выходом катализатора 9, а выпуск сообщен с атмосферой, при этом выпуск конденсатора 32 сообщен посредством второй самотечной магистрали 24 с первым дополнительным впуском резервуара 23.
3
При наличии автомобильного кондиционера 33 устройство может содержать поддон 34 для сбора конденсата, размещенный под испарителем кондиционера 33, сообщенный посредством третьей самотечной магистрали 24 со вторым дополнительным впуском резервуара 23.
В устройстве управляемого турбонаддува в качестве жидкости может быть использована вода или водные растворы, нейтрализующие выбросы в отработавших газах, например водные растворы щелочи, аммиака, мочевины, которые изначально заливаются в резервуар 23.
Устройство управляемого турбонаддува двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.
Управление потоком наддувочного воздуха, поступающего во входной коллектор 6 двигателя внутреннего сгорания через воздушный фильтр 8, компрессор 3, охладитель 4 и дроссельную заслонку 5, осуществляется путем регулирования скорости вращения турбины 2 турбонагнетателя и положения дроссельной заслонки 5. Одновременно по сигналам соответствующих датчиков 11, 14, 15, 18 управление скоростью вращения турбины 2 осуществляется модулем 16 впрыска жидкости для снижения температуры отработавших газов по командам с контроллера 19 наддува, а управление дроссельной заслонкой 5 производится по командам блока 10 управления.
При запуске двигателя 7 внутреннего сгорания блок управления 10 и контроллер 19 наддува обеспечивают закрытое состояние электрически управляемого вентиля 25.
Обмен информацией между блоком 10 управления и контроллером 19 наддува осуществляется по информационной шине 20. Поток атмосферного воздуха через воздушный фильтр 8 поступает на вход компрессора 3 турбонагнетателя 1, где он сжимается и, как следствие, нагревается. Далее воздушный поток через охладитель 4 и дроссельную заслонку 5 поступает во входной коллектор 6 двигателя внутреннего сгорания. Количество поступающего воздуха регулируется блоком 10 управления по сигналам датчика 15 акселератора и датчиков 11 температуры и давления путем регулирования положения дроссельной заслонки 5. Отработавшие газы, поступающие из выходного коллектора 13 двигателя внутреннего сгорания, направляются к турбине 2 турбонагнетателя 1, раскручивая ее и компрессор 3, который находится на одном валу с турбиной 2. Далее отработавшие газы, проходя через катализатор 9, выбрасываются в атмосферу. Отсутствие впрыска жидкости из форсунки 21 на этапе запуска и прогрева двигателя 7 обеспечивает необходимое давление наддува на входе дроссельной заслонки 5, а также максимально быстрый прогрев катализатора 9 и его выход на оптимальный режим работы.
По мере прогрева двигателя 7 внутреннего сгорания и, как следствие, увеличения температуры отработавших газов повышается температура и давление наддувочного воздуха на входе дроссельной заслонки 5 и температура на входе катализатора 9. Для каждого двигателя внутреннего сгорания указанные параметры регламентированы и должны находиться в заданных диапазонах. По сигналам с датчиков 11 температуры и давления, установленных на входе дроссельной заслонки 5 и на выходном коллекторе 13 двигателя, а также дополнительных датчиков 18 температуры и давления, установленных на входе турбины 2 и входе катализатора 9, контроллер 19 наддува формирует управляющий сигнал, который поступает на электрически управляемый вентиль 25. Этот сигнал дает команду на подачу жидкости из резервуара 23 по напорной магистрали 27 в форсунку 21 и впрыск жидкости в выходной патрубок 17 вблизи входа турбины 2. Впрыск жидкости в выходной патрубок 14 приводит к снижению температуры и давления отработавших газов на входе 2 и, как следствие, снижению скорости вращения турбины 2 и лопастей компрессора 3, что приводит к снижению давления надувочного воздуха на входе дроссельной заслонки 5. При этом снижение температуры на входе турбины 2 приводит также к снижению температуры и на входе катализатора 9. Алгоритм работы контроллера 19 наддува обеспечивает поддержание давления на входе дроссельной заслонки 5 и температуры на входе катализатора 9 в диапазонах, обеспечивающих их оптимальное функционирование путем регулирования количества впрыскиваемой жидкости.
Впрыск жидкости в выходной патрубок 17 приводит к снижению содержания в отработавших газах загрязняющих веществ, таких как диоксид серы, оксиды азота, дым, копоть, и других вредных компонентов, которые вместе с жидкостью попадают в камеру 22 для сбора жидкости. Кроме снижения содержания вредных веществ в отработавших газах, выбрасываемых в атмосферу, наличие жидкости защищает турбину 2 и активные элементы катализатора 9 от нагара и копоти, что повышает эффективность их работы.
Блок 10 управления, так же как и в устройстве, принятом в качестве прототипа, по сигналам с датчиков 14 контроля эмиссии отработавших газов обеспечивает корректировку режима работы двигателя 7 внутреннего сгорания для минимизации вредных выбросов в отработавших газах.
В устройстве, использованном в качестве прототипа, при резком нажатии на педаль акселератора и поступлении соответствующего сигнала с датчика акселератора на блок управления даже при подаче команды на полное открытие дроссельной заслонки невозможно формирование необходимого объема воздуха, который подается во входной коллектор двигателя внутреннего сгорания. Это объясняется тем, что после нажатия на педаль акселератора отработанные газы поступают к крыльчатке турбины с запаздыванием, обусловленным необходимым временем для сгоранием топлива, после чего начинается наращивание числа оборотов турбины и скорости вращения крыльчатки компрессора. Вследствие этого увеличивается количество воздуха, поступающего во входной коллектор двигателя внутреннего сгорания, и только после этого происходит ожидаемое ускорение транспортного средства.
В заявленном устройстве, в отличие от прототипа, при невозможности соответствующего резкого увеличения подачи наддувочного воздуха во входной коллектор 6 за счет изменения режима работы двигателя 7 внутреннего сгорания по сигналу с блока 10 управления, поступающему по информационной шине 20, контроллер 19 наддува на короткое время (1-2 с) формирует команду на закрытие или резкое снижение пропускной способности управляемого вентиля 25. Это обеспечивает прекращение или резкое сокращение впрыска жидкости, соответствующий резкий скачок температуры и давления на входе турбины 2 и увеличение скорости ее вращения, следствием чего является соответствующее быстрое повышение количества наддувочного воздуха, подаваемого в двигатель 7 внутреннего сгорания. За счет этого достигается снижение эффекта «турбоямы» в двигателе 7 внутреннего сгорания и улучшение динамики его управления, а кратковременное увеличение температуры отработавших газов на входе катализатора 9 за счет тепловой инерции практически не сказывается на режиме его работы.
В отличие от прототипа в предложенном устройстве в качестве исполнительного элемента системы автоматического регулирования наддувочного воздуха используется форсунка 21, охлаждаемая в процессе функционирования проходящей через нее жидкостью. Это позволяет повысить общую надежность работы по сравнению с прототипом, в котором названные функции выполняются байпасным и перепускным клапанами, работающими в условиях высоких температур и сильной загрязненности преходящих через них газов.
Насосная станция 26 обеспечивает заданный стабильный уровень давления жидкости в напорной магистрали 27, в которую жидкость поступает из резервуара 23 через первый фильтр 28, улавливающий углеводородные соединения, обусловленные неполным сгоранием топлива, твердые частицы и копоть. Насосная станция 26 может быть выполнена по классической схеме с использованием гидронасоса, гидроаккумулятора, датчика давления и реле.
1
Из камеры 22 для сбора жидкости через второй фильтр 29, улавливающий твердые частицы в отработавших газах, по первой самотечной магистрали 24 жидкость поступает в резервуар 23.
1
При эксплуатации автомобиля в условиях значительных отрицательных температур для оперативного вывода устройства управляемого турбонаддува на оптимальный режим предусмотрен подогрев жидкости в резервуаре 23, преимущественно в области забора в насосную станцию 26. После прогрева двигателя 7 внутреннего сгорания в резервуар 17 из камеры 22 для сбора жидкости через второй фильтр 29 и первую самотечную магистраль 24 поступает подогретая жидкость, и, как следствие, повышается температура жидкости в резервуаре 17. Это фиксируется датчиком 30 температуры, по сигналам с которого при превышении заданного значения контроллер 19 наддува выключает нагреватель 31.
3
Для пополнения уровня жидкости в резервуаре 23 может быть использован конденсат, который собирается в поддон 34 с испарителя автомобильного кондиционера 33 и по третьей самотечной магистрали 24 поступает в резервуар 23.
2
Для этих же целей может быть использован конденсат, образующийся на конденсаторе 32 и поступающий в резервуар по второй самотечной магистрали 24. Конденсатор может быть реализован аналогично решениям предложенным, например, в заявках US 20070137590 А1, DE 10026695 С1.
Таким образом, предложенное устройство управляемого турбонаддува позволяет исключить негативное влияние высокотемпературных выхлопных газов на исполнительные элементы контура регулирования, повышая его надежность, а также обеспечить быстрое увеличение числа оборотов турбины за счет уменьшения интенсивности впрыска жидкости при резком нажатии на педаль акселератора, что снижает негативный эффект «турбоямы». Дополнительно к сказанному выше заявленное устройство позволяет обеспечить дополнительную очистку отработавших газов от вредных веществ на входе катализатора, что повышает надежность его функционирования, а также позволяет поддерживать температуру отработавших газов, оптимальную для активных элементов катализатора.