АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F02N17/47 

Предлагаемое изобретение относится к области совершенствования систем регулирования температуры теплоносителей тепловых машин, например дизелей - воды, масла, наддувочного воздуха.

Температура наддувочного воздуха на входе в дизель оказывает значительное влияние на технико-экономические показатели дизеля. Значения оптимальной температуры наддувочного воздуха увеличиваются при снижении мощности. Требуемые оптимальные значения температуры наддувочного воздуха могут обеспечиваться путем его подогрева или охлаждения. Для подогрева наддувочного воздуха может использоваться теплота выпускных газов при работе дизеля на частичных нагрузках и при низких температурах наружного воздуха.

Известна автоматическая система регулирования температуры наддувочного воздуха автомобильного двигателя, оборудованного воздушной системой охлаждения наддувочного воздуха, содержащая двигатель с V-образно расположенными цилиндрами, нагнетатель наддувочного воздуха, состоящий из газовой турбины и компрессора, воздушный охладитель наддувочного воздуха, вентилятор, управляющий орган, расположенный во всасывающем ресивере [1]. На холостом ходу и при низких температурах наружного воздуха предусмотрен подогрев наддувочного воздуха путем перепуска горячих выпускных газов дизеля из выхлопного коллектора во впускной ресивер с помощью поворотной заслонки. Недостатком этой системы является следующее. Перепуск горячих выпускных газов дизеля во впускной ресивер повышает температуру наддувочного воздуха, но, с другой стороны, ухудшает рабочий процесс за счет уменьшения количества кислорода, поступающего в цилиндры двигателя. Способ перепуска позволяет использовать только часть теплоты выхлопных газов. Кроме того, как отмечается в [2], перепуск выпускных газов на всасывание приводит к закоксовыванию проточной части компрессора. Таким образом, наиболее рационален подогрев наддувочного воздуха за счет утилизации теплоты, выделяемой дизелем в выпускные газы.

Известны впускные системы для двигателя внутреннего сгорания с наддувом, например тепловозного дизеля, содержащие установленные во впускном коллекторе между нагнетателем наддувочного воздуха и цилиндрами дизеля трехходовое перепускное устройство с приводом и воздушный охладитель наддувочного воздуха и подключенную к коллектору байпасную линию с помещенными в ней трехходовым перепускным устройством с приводом и газовым подогревателем наддувочного воздуха, омываемым выхлопными газами, дозирование подвода которых в газовом подогревателе наддувочного воздуха осуществлено при помощи трехходового перепускного устройства с приводом, управляемым датчиком температуры наддувочного воздуха. Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является впускная система для двигателя внутреннего сгорания с наддувом [3]. Однако известные системы не эффективны при изменяющихся условиях окружающей среды и режимах работы самого дизеля.

Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение поддержания температуры наддувочного воздуха двигателя внутреннего сгорания на оптимальных уровнях, зависящих от режимов работы двигателя внутреннего сгорания и не зависящих от температуры наружного воздуха, уменьшение затрат энергии на охлаждение и повышение эффективности воздушно-газовой системы охлаждения и подогрева наддувочного воздуха.

Поставленная задача решается за счет того, что автоматическая система регулирования температуры наддувочного воздуха двигателя внутреннего сгорания содержит вентилятор, установленные во впускном коллекторе между нагнетателем и цилиндрами трехходовое перепускное устройство с приводом и воздушный охладитель наддувочного воздуха и включенную в коллектор байпасную линию с помещенными в ней вторым трехходовым перепускным устройством с приводом и газовым подогревателем наддувочного воздуха, омываемым выхлопными газами, дозирование подвода которых осуществлено при помощи второго трехходового перепускного устройства, привод которого связан с датчиком температуры наддувочного воздуха, установленном во впускном коллекторе между воздушным охладителем наддувочного воздуха и цилиндрами, а привод вентилятора также связан с датчиком температуры наддувочного воздуха, при этом вал вентилятора соединен с валами двух одинаковых асинхронных двигателей с фазными роторами, статорные обмотки которых подключены к генератору переменного тока, приводимому от вала двигателя внутреннего сгорания, который управляется блоком управления, соединенным с первым выходом микропроцессорного контроллера, а роторные обмотки асинхронных двигателей соединены последовательно и подключены к выпрямителю, к выходу которого подключены полупроводниковый термоэлектрический охладитель и блок замыкания обмоток, подключенный ко второму выходу микропроцессорного контроллера; статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с приводом, подключенным к третьему выходу микропроцессорного контроллера, к четвертому и пятому выходам микропроцессорного контроллера подключены приводы первого и второго трехходовых перепускных устройств, а ко входу микропроцессорного контроллера подключен датчик температуры наддувочного воздуха.

На чертеже представлена принципиальная схема автоматической системы регулирования температуры наддувочного воздуха двигателя внутреннего сгорания с воздушно-газовым охлаждением и подогревом наддувочного воздуха. Датчик температуры наддувочного воздуха 1 установлен во впускном коллекторе 2 между воздушным охладителем наддувочного воздуха 3 и цилиндрами, а микропроцессорный контроллер 4 связан с приводами 5 и 6 трехходовых перепускных устройств 7 и 8. Автоматическая система регулирования температуры наддувочного воздуха двигателя внутреннего сгорания обеспечивает подогрев наддувочного воздуха при низких температурах наддувочного воздуха t₁ и при работе двигателя внутреннего сгорания 9 при частичных нагрузках и холостом ходу до оптимальных значений температуры наддувочного воздуха t₂ за счет теплоты выхлопных газов, выходящих из турбины 10 с температурой t₃, и охлаждение наддувочного воздуха в воздушном охладителе наддувочного воздуха 3 при высоких температурах t₁ и высоких нагрузках двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания 9 управляется блоком управления 11 и имеет агрегат наддува, состоящий из турбины 10 и нагнетателя наддувочного воздуха 12. Газовый подогреватель наддувочного воздуха 13 омывается газами, выходящими из турбины 10. Через воздушный охладитель наддувочного воздуха 3 продувается наружный воздух с помощью вентилятора 14, подача которого изменяется с помощью регулируемого привода. Предлагаемая автоматическая система регулирования температуры наддувочного воздуха двигателя внутреннего сгорания отличается тем, что в ней применен электрический привод вентилятора, содержащий два одинаковых асинхронных двигателя 15 и 16, статорные обмотки которых подключены к статорным обмоткам синхронного генератора 17, приводимого от двигателя внутреннего сгорания 9, а роторные обмотки соединены последовательно и подключены к выпрямителю 18, к выходу которого подключен полупроводниковый термоэлектрический охладитель 19, и блоку замыкания обмоток 20, соединенному с выходом микропроцессорного контроллера 4. Статор асинхронного двигателя 16 выполнен поворотным и соединен с приводом 21, также подключенным к выходу микропроцессорного контроллера 4. Ко входу микропроцессорного контроллера 4 подключен датчик температуры наддувочного воздуха 1, а к выходам - приводы 5, 6 и 21, блок управления 11 двигателем внутреннего сгорания 9 и блок замыкания обмоток 20.

Предлагаемая автоматическая система регулирования температуры наддувочного воздуха двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом. Положение клапана в трехходовом перепускном устройстве 7 изменяется с помощью релейного привода 5, подключенного к микропроцессорному контроллеру 4 и управляемого по сигналу датчика температуры наддувочного воздуха 1. При t₂ ниже нижнего предела диапазона регулирования выходной сигнал датчика температуры наддувочного воздуха 1 имеет минимальное значение. При этом сигнал управления приводом 21 поворота статора асинхронного двигателя 16 такой, что статор занимает положение, при котором ω_в=0 и подача вентилятора 14 также равна нулю, а положения клапана трехходового перепускного устройства 7 и его привода 5 такие, что клапан занимает крайнее положение и прекращает подачу наддувочного воздуха в воздушный охладитель наддувочного воздуха 3. Весь воздух из нагнетателя 12 с температурой t₄ проходит через газовый подогреватель наддувочного воздуха 13. Система работает с максимальным подогревом наддувочного воздуха.

При повышении t₂ выше нижнего предела диапазона регулирования сигнал датчика температуры наддувочного воздуха 1 увеличится, привод 6 изменяет положение клапана трехходового перепускного устройства 8 и часть газа пропускается на выхлоп, минуя газовый подогреватель наддувочного воздуха 13. Подогрев наддувочного воздуха уменьшается, увеличение температуры t₂ прекращается.

При превышении t₂ нижнего предела диапазона регулирования примерно на величину, равную половине диапазона (статической неравномерности) регулирования сигнал датчика температуры наддувочного воздуха 1 такой, что микропроцессорный контроллер 4 подает сигнал на привод 5 трехходового перепускного устройства 7 и его клапан займет второе крайнее положение, после чего весь нагнетаемый воздух идет через воздушный охладитель наддувочного воздуха 3, клапан трехходового перепускного устройства 8 займет положение, при котором весь газ идет на выхлоп, минуя газовый подогреватель наддувочного воздуха 13. Подогрев наддувочного воздуха прекращается.

При дальнейшем увеличении t₂ будет увеличиваться выходной сигнал датчика температуры наддувочного воздуха 1, изменяться положение статора асинхронного двигателя 16 и увеличиваться подача вентилятора 14. При этом регулирование t₂ осуществляется за счет охлаждения наддувочного воздуха и t₂ поддерживается в пределах второй половины диапазона регулирования. Так как асинхронные двигатели 15 и 16 работают при скоростях вращения валов ω_в, меньших, чем синхронная ω_вс, то в них образуется энергия скольжения, которая из роторных обмоток через выпрямитель 18 подается в полупроводниковый термоэлектрический охладитель 19, где она, благодаря термоэлектрическому явлению Пельтье, преобразуется в холод, то есть полупроводниковый термоэлектрический охладитель 19 охлаждает наддувочный воздух, что приводит к повышению КПД электрического привода вентилятора и эффективности системы. С целью защиты двигателя внутреннего сгорания 9 от превышения предельно допустимого значения t₂ при полной мощности, экстремальных климатических условиях и чрезмерном загрязнении воздушного охладителя наддувочного воздуха по сигналу от микропроцессорного контроллера 4 блок замыкания обмоток 20 замыкает роторные обмотки асинхронных двигателей 15 и 16, в результате чего сопротивление в их цепи уменьшается, что приводит к увеличению ω_в (и подачи вентилятора) до значения, близкого к синхронной ω_вс.

При уменьшении температуры t₂ сигнал датчика температуры наддувочного воздуха 1 уменьшается, уменьшается подача вентилятора 14 и уменьшается охлаждение наддувочного воздуха в воздушном охладителе наддувочного воздуха 3, снижение t₂ прекращается.

При уменьшении температуры t₂ до половины диапазона регулирования сигнал датчика температуры наддувочного воздуха 1 уменьшается настолько, что подача вентилятора 14 становится равной нулю, при этом по сигналу микропроцессорного контроллера 4 клапан 5 трехходового перепускного устройства 7 занимает крайнее положение, при котором весь наддувочный воздух проходит через газовый подогреватель наддувочного воздуха 13. Охлаждение наддувочного воздуха прекращается.

При дальнейшем уменьшении температуры t₂ сигнал датчика температуры наддувочного воздуха 1 уменьшается и привод 6 трехходового перепускного устройства 8 изменяет положение клапана, и количество газа, проходящего через газовый подогреватель наддувочного воздуха 13, возрастает. При этом увеличивается подогрев наддувочного воздуха и уменьшение температуры t₂ прекращается.

При работе двигателя внутреннего сгорания на частичных нагрузках и при пониженных температурах наружного воздуха существует проблема не отвода теплоты от двигателя внутреннего сгорания, а удержания теплоты в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания и системы охлаждения и подогрева наддувочного воздуха двигателя внутреннего сгорания. Подогрев наддувочного воздуха двигателя внутреннего сгорания путем использования теплоты, содержащейся в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, приводит к улучшению рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания: к уменьшению периода задержки самовоспламенения топлива, к уменьшению жесткости работы двигателя внутреннего сгорания (что приводит к увеличению его моторесурса), к улучшению показателей процесса сгорания топлива, к повышению температуры газов, к уменьшению расхода топлива и даже к уменьшению выброса вредных веществ с выхлопными газами. В результате повышение температуры газов в рабочем процессе двигателя внутреннего сгорания приводит к увеличению температуры выхлопных газов и увеличению их теплосодержания, что позволяет подводить больше теплоты к наддувочному воздуху. Происходит процесс рециркуляции теплоты. Такая рециркуляция теплоты в двигателе внутреннего сгорания и в воздушно-газовой системе охлаждения и подогрева наддувочного воздуха приводит к тому, что все тепловые процессы в двигателе внутреннего сгорания и в воздушно-газовой системе охлаждения и подогрева наддувочного воздуха протекают при температурах более высоких, чем в условиях отсутствия подогрева наддувочного воздуха, что в свою очередь дает большие возможности для автоматического поддержания температуры наддувочного воздуха и других теплоносителей на уровнях, близких к оптимальным значениям.

Источники информации

1. US Patent № 4124979, F 02 B /2904 (US 60/599), Internal combustion engine with exhaust gas turbo super charge. / Iholen P., 1978.

2. Хомич А.З., Тупицын О.И., Симеон А.Э. Экономия топлива и теплотехническая модернизация тепловозов. - М.: Транспорт, 1975, с.188.

3. А.с. 461237 (СССР). Впускная система для двигателя внутреннего сгорания с наддувом. / Луков Н.М. - Опубл. в Б.И., 1975, № 7.

4. Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989.

5. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995.

Изобретение относится к системам регулирования температуры теплоносителей тепловых машин. Автоматическая система регулирования температуры наддувочного воздуха двигателя внутреннего сгорания содержит вентилятор, установленные во впускном коллекторе между нагнетателем и цилиндрами трехходовое перепускное устройство с приводом и воздушный охладитель наддувочного воздуха и включенную в коллектор байпасную линию с помещенными в ней вторым трехходовым перепускным устройством с приводом и газовым подогревателем наддувочного воздуха, омываемыми выхлопными газами. Дозирование подвода выхлопных газов осуществлено при помощи второго трехходового перепускного устройства, привод которого связан с датчиком температуры наддувочного воздуха, установленным во впускном коллекторе между воздушным охладителем наддувочного воздуха и цилиндрами. Привод вентилятора также связан с датчиком температуры наддувочного воздуха. Вал вентилятора соединен с валами двух одинаковых асинхронных двигателей с фазными роторами, статорные обмотки которых подключены к генератору переменного тока, приводимому от вала двигателя внутреннего сгорания, который управляется блоком управления, соединенным с первым выходом микропроцессорного контроллера. Роторные обмотки асинхронных двигателей соединены последовательно и подключены к выпрямителю, к выходу которого подключены полупроводниковый термоэлектрический охладитель и блок замыкания обмоток, подключенный ко второму выходу микропроцессорного контроллера. Статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с приводом, подключенным к третьему выходу микропроцессорного контроллера. К четвертому и пятому выходам микропроцессорного контроллера подключены приводы первого и второго трехходовых перепускных устройств, а ко входу микропроцессорного контроллера подключен датчик температуры наддувочного воздуха. Изобретение обеспечивает поддержание температуры наддувочного воздуха двигателя внутреннего сгорания на оптимальных уровнях, зависящих от режимов работы двигателя внутреннего сгорания и не зависящих от температуры наружного воздуха, уменьшение затрат энергии на охлаждение и повышение эффективности воздушно-газовой системы охлаждения и подогрева наддувочного воздуха. 1 ил.

Автоматическая система регулирования температуры наддувочного воздуха двигателя внутреннего сгорания, содержащая вентилятор, установленные во впускном коллекторе между нагнетателем и цилиндрами трехходовое перепускное устройство с приводом и воздушный охладитель наддувочного воздуха и включенную в коллектор байпасную линию с помещенными в ней вторым трехходовым перепускным устройством с приводом и газовым подогревателем наддувочного воздуха, омываемым выхлопными газами, дозирование подвода которых осуществлено при помощи второго трехходового перепускного устройства, привод которого связан с датчиком температуры надувочного воздуха, установленным во впускном коллекторе между воздушным охладителем наддувочного воздуха и цилиндрами, а привод вентилятора также связан с датчиком температуры наддувочного воздуха, отличающаяся тем, что вал вентилятора соединен с валами двух одинаковых асинхронных двигателей с фазными роторами, статорные обмотки которых подключены к генератору переменного тока, приводимому от вала двигателя внутреннего сгорания, который управляется блоком управления, соединенным с первым выходом микропроцессорного контроллера, а роторные обмотки асинхронных двигателей соединены последовательно и подключены к выпрямителю, к выходу которого подключены полупроводниковый термоэлектрический охладитель и блок замыкания обмоток, подключенный ко второму выходу микроцессорного контроллера; статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с приводом, подключенным к третьему выходу микропроцессорного контроллера, к четвертому и пятому выходам микропроцессорного контроллера подключены приводы первого и второго трехходовых перепускных устройств, а ко входу микропроцессорного контроллера подключен датчик температуры наддувочного воздуха.