СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ С ТУРБОНАДДУВОМ И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2011 года по МПК F02B37/00 F02M25/07 F01N3/21 

Уровень техники

Изобретение относится, в целом, к системам двигателя и, в частности, - к способу сокращения загрязняющих выбросов, например, выбросов оксида азота (NO_x), в двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом.

Различные типы двигателей внутреннего сгорания используются в качестве силовых агрегатов транспортных средств, например локомотивов, пассажирских автомобилей и другого оборудования. Двигатель внутреннего сгорания может включать в себя один или более турбокомпрессоров для сжатия всасываемой смеси (например, атмосферного воздуха), которая поступает в одну или более камер сгорания в двигателе. Каждый турбокомпрессор включает в себя турбину, приводимую в действие выхлопными газами из двигателя, и компрессор, приводимый в действие турбиной. Кроме того, компрессор принимает атмосферный воздух, подлежащий сжатию, и подает сжатый воздух в камеры сгорания.

Обычно, при работе двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, давление во впускном коллекторе выше давления в выпускном коллекторе двигателя. В некоторых традиционных системах рециркуляция выхлопных газов (EGR) применяется для сокращения нежелательных выбросов NO_x в ходе эксплуатации двигателей. К сожалению, трудно управлять рециркуляцией выхлопных газов и, одновременно, в значительной степени преодолевать перепад давления впускным и выпускным коллекторами. Кроме того, такие методы оказывают существенное влияние на удельный расход топлива (SFC) и выбросы твердых частиц (РМ) и не обеспечивают эффективного управления циркуляцией выхлопных газов во всем диапазоне положений регулятора, применяемых к рабочему циклу при эксплуатации локомотива, и на больших высотах.

Соответственно, существует необходимость в создании системы двигателя с турбонаддувом, которая имеет существенно сниженные выбросы NO_x для разных условий эксплуатации двигателя при достижении нужного удельного расхода топлива (SFC) для двигателя.

Сущность изобретения

Согласно одному варианту настоящего изобретения предложена система, содержащая двигатель внутреннего сгорания, имеющий впускной коллектор и выпускной коллектор, турбокомпрессор высокого давления, имеющий турбину высокого давления с изменяемой геометрией, присоединенную с возможностью привода к компрессору высокого давления, при этом турбина высокого давления с изменяемой геометрией выполнена с возможностью приведения в действие первой частью выхлопных газов из выпускного коллектора, причем компрессор высокого давления выполнен с возможностью сжатия всасываемого воздуха и подачи сжатого всасываемого воздуха во впускной коллектор, и турбокомпрессор низкого давления, имеющий турбину низкого давления с изменяемой геометрией, присоединенную с возможностью привода к компрессору низкого давления, при этом турбина низкого давления с изменяемой геометрией выполнена с возможностью приведения в действие второй частью выхлопных газов из выпускного коллектора, причем компрессор низкого давления выполнен с возможностью сжатия третьей части выхлопных газов из выпускного коллектора и подачи сжатой третьей части во впускной коллектор, при этом первая и вторая части выхлопных газов отличаются друг от друга.

Двигатель внутреннего сгорания предпочтительно представляет собой двигатель с воспламенением от сжатия.

Двигатель с воспламенением от сжатия предпочтительно представляет собой дизельный двигатель.

Система предпочтительно дополнительно содержит охладитель, расположенный после компрессора низкого давления и выполненный с возможностью охлаждения третьей части выхлопных газов до ввода во впускной коллектор.

Система предпочтительно дополнительно содержит охладитель воздуха, расположенный после компрессора высокого давления и выполненный с возможностью охлаждения сжатого всасываемого воздуха из компрессора высокого давления.

Система предпочтительно дополнительно содержит клапан рециркуляции выхлопных газов (EGR), выполненный с возможностью управления потоком третьей части выхлопных газов в компрессор низкого давления.

Система предпочтительно дополнительно содержит контроллер, выполненный с возможностью управления потоком через клапан рециркуляции выхлопных газов на основании условий эксплуатации двигателя или производительности турбокомпрессора низкого давления, или производительности турбокомпрессора высокого давления, или их комбинации.

Система предпочтительно дополнительно содержит фильтр частиц, выполненный с возможностью фильтрования твердых частиц из выхлопных газов до ввода выхлопных газов в компрессор низкого давления.

Давление во впускном коллекторе предпочтительно существенно выше давления в выпускном коллекторе.

Третья часть предпочтительно включает в себя, по меньшей мере, часть первой части выхлопных газов, выходящей из турбины высокого давления.

Система предпочтительно дополнительно содержит мотор, выполненный с возможностью приведения в действие турбокомпрессора низкого давления при выбранных условиях эксплуатации двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания предпочтительно содержит множество цилиндров, размещенных в виде левого и правого рядов цилиндров двигателя.

Первая и вторая части выхлопных газов предпочтительно содержат выхлопные газы из левого и правого рядов цилиндров двигателя.

Система предпочтительно содержит автомобиль или локомотив, или судно, или промышленную установку.

Согласно другому варианту настоящего изобретения предложен способ эксплуатации системы двигателя, включающий направление первой части выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания для приведения в действие турбины высокого давления с изменяемой геометрией турбокомпрессора высокого давления, направление второй части выхлопных газов для приведения в действие турбины низкого давления с изменяемой геометрией турбокомпрессора низкого давления, и направление третьей части выхлопных газов в компрессор низкого давления турбокомпрессора низкого давления для сжатия третьей части выхлопных газов для нагнетания в двигатель внутреннего сгорания, при этом первая и вторая части выхлопных газов отличаются друг от друга.

Способ предпочтительно дополнительно включает приведение в действие компрессора высокого давления турбокомпрессора высокого давления посредством турбины высокого давления для подачи сжатого всасываемого воздуха в двигатель внутреннего сгорания.

Способ предпочтительно дополнительно включает охлаждение сжатого всасываемого воздуха из компрессора высокого давления посредством охладителя воздуха, расположенного после компрессора высокого давления.

Способ предпочтительно дополнительно включает приведение в действие компрессора низкого давления турбокомпрессора низкого давления посредством турбины низкого давления.

Способ предпочтительно дополнительно включает охлаждение выхлопных газов из компрессора низкого давления до нагнетания в двигатель внутреннего сгорания.

Способ предпочтительно дополнительно включает управление потоком третьей части выхлопных газов в компрессор низкого давления через клапан рециркуляции выхлопных газов на основании условий эксплуатации двигателя или производительности турбокомпрессора низкого давления, или производительности турбокомпрессора высокого давления, или их комбинации.

Способ предпочтительно дополнительно включает фильтрование твердых частиц из выхлопных газов до ввода выхлопных газов в компрессор низкого давления.

Согласно еще одному варианту настоящего изобретения предложен способ сокращения загрязняющих выбросов в двигателе внутреннего сгорания, включающий присоединение турбокомпрессора высокого давления, имеющего компрессор высокого давления и турбину высокого давления с изменяемой геометрией, к двигателю внутреннего сгорания, соединение турбокомпрессора низкого давления, имеющего компрессор низкого давления и турбину низкого давления с изменяемой геометрией, в, по существу, параллельной конфигурации потоков с турбокомпрессором высокого давления, при этом, по существу, параллельная конфигурация потоков включает в себя первую часть выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания в турбину высокого давления с изменяемой геометрией и вторую часть выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания в турбину низкого давления с изменяемой геометрией.

Предпочтительно по существу параллельная конфигурация потоков содержит третью часть выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания в компрессор низкого давления.

Способ предпочтительно дополнительно включает присоединение клапана рециркуляции выхлопных газов для управления потоком третьей части выхлопных газов в компрессор низкого давления.

Способ предпочтительно включает направление части выхлопных газов из турбины высокого давления в компрессор низкого давления с последующим вводом сжатых выхлопных газов во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания.

Способ предпочтительно дополнительно включает присоединение мотора, выполненного с возможностью приведения в действие компрессора низкого давления турбокомпрессора низкого давления.

Краткое описание чертежей

Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут лучше понятны из нижеследующего подробного описания, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены одинаковые элементы:

Фиг.1 представляет собой схему системы двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом с рециркуляцией выхлопных газов, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 представляет собой схему системы двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющей другой иллюстративный механизм рециркуляции выхлопных газов для сокращения загрязняющих выбросов из системы, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 представляет собой схему системы двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющей иллюстративный механизм рециркуляции выхлопных газов, присоединенный к левому и правому рядам цилиндров двигателя, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 представляет собой схему системы двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющей иллюстративный механизм рециркуляции выхлопных газов для двигателя с раздельными впускными и выпускными коллекторами для левого и правого рядов цилиндров двигателя, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 представляет собой схему системы двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющей иллюстративный механизм рециркуляции выхлопных газов для двигателя с левым и правым рядами цилиндров двигателя с общим впускным коллектором, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 представляет собой схему системы двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющей иллюстративный механизм рециркуляции выхлопных газов для двигателя с раздельными турбокомпрессорами, присоединенными к левому и правому рядам цилиндров двигателя, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.7 представляет собой схему другой системы двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющей иллюстративный механизм рециркуляции выхлопных газов для двигателя с общим промежуточным охладителем для левого и правого рядов цилиндров двигателя, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 представляет собой график 230 выбросов NO_x и удельного расхода топлива при испытании двигателя на тормозном стенде (BSFC) при разных температурах охладителя EGR для двигателей внутреннего сгорания с турбонаддувом, показанных на фиг.1-7, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Ниже подробно рассмотрены варианты осуществления настоящего изобретения, призванные сокращать выбросы в системах двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, например, реализованных в локомотивах и автомобилях. Например, двигатели внутреннего сгорания могут включать в себя двигатели с искровым воспламенением или двигатели с воспламенением от сжатия, например дизельные двигатели. В частности, настоящее изобретение включает в себя применение избирательной рециркуляции выхлопных газов с всасываемым воздухом в системе двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом для минимизации выбросов, например выбросов NO_x, из системы. В частности, смешивание выхлопных газов с всасываемым воздухом снижает пиковую температуру сгорания и температуру адиабатического пламени, тем самым сокращая выбросы из системы.

На чертежах и, прежде всего, на фиг.1 показана система 10 двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющая иллюстративный механизм 12 рециркуляции выхлопных газов. Примеры системы 10 двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом включают в себя транспортное средство (например, локомотив, автомобиль, самолет, судно (морское), тяжелое оборудование/автомобили и т.д.), систему генерации мощности, промышленную или коммерческую автоматизированную систему, насосы и т.д. В иллюстрируемом варианте осуществления система 10 включает в себя двигатель 14 внутреннего сгорания, имеющий впускной коллектор 16 и выпускной коллектор 18. В этом варианте осуществления давление во впускном коллекторе существенно выше давления в выпускном коллекторе. В некоторых вариантах осуществления двигатель 14 внутреннего сгорания представляет собой двигатель с воспламенением от сжатия, например, дизельный двигатель. Кроме того, система 10 включает в себя турбокомпрессор 20 высокого давления, имеющий турбину 22 высокого давления с изменяемой геометрией, которая присоединена с возможностью привода к компрессору 24 высокого давления через вал 26. Кроме того, система 10 также включает в себя турбокомпрессор 28 низкого давления, имеющий турбину 30 низкого давления с изменяемой геометрией, присоединенную с возможностью привода к компрессору 32 низкого давления через вал 34. В этом варианте осуществления турбокомпрессор 28 низкого давления соединен в, по существу, параллельной конфигурации с турбокомпрессором 20 высокого давления. Иными словами, выхлоп, истекающий из выпускного коллектора 18, разделяется на параллельные или одновременные потоки, поступающие на турбины 22 и 30, а не течет через турбины одну за другой. Кроме того, турбины 22 и 30 высокого давления и низкого давления с изменяемой геометрией способствуют сокращению выбросов во всем диапазоне позиций регулятора, применяемом в системе 10, и, в частности, для работы на больших высотах.

В ходе эксплуатации турбина 22 высокого давления с изменяемой геометрией приводится в действие первой частью 36 выхлопных газов из выпускного коллектора 18, которая направляется на турбину 22 высокого давления через трубопровод 37, который разделяется на трубопровод 38 и другие трубопроводы, как описано ниже. Кроме того, компрессор 24 высокого давления приводится в действие турбиной 22 высокого давления через вал 26 и способен сжимать всасываемый воздух 40. Сжатый воздух 42 из компрессора 24 высокого давления направляется во впускной коллектор 16 через трубопровод 44.

Аналогично, турбина 30 низкого давления с изменяемой геометрией приводится в действие второй частью 46 выхлопных газов из выпускного коллектора 18. В этом варианте осуществления вторая часть 46 выхлопных газов направляется в турбину 32 низкого давления через трубопровод 48, который отходит от трубопровода 37. Снова, компрессор 32 низкого давления приводится в действие турбиной 30 низкого давления через вал 34 и способен сжимать третью часть 50 выхлопных газов из выпускного коллектора 18. Третья часть 50 выхлопных газов из выпускного коллектора 18 направляется на компрессор 32 низкого давления через трубопровод 52, который отходит от трубопровода 37. Сжатая третья часть 54 поступает на впускной коллектор 16 через трубопровод 56. В этом варианте осуществления первая и вторая части 36 и 46 отличаются друг от друга. Кроме того, третья часть 50 отличается от первой и второй частей 36 и 46. Иными словами, первая, вторая и третья части 36, 46, и 50 являются одновременными или параллельными потоками, которые образуют соответствующие доли полного потока выхлопа, исходящего из выпускного коллектора 18 через трубопровод 37. Следует отметить, что соответствующие доли для первой, второй и третьей частей могут зависеть от типа приложения. В одном варианте осуществления % рециркуляции выхлопных газов (EGR) составляет около 12.

Система 10 также включает в себя промежуточный охладитель (IC) или охладитель 58, расположенный после компрессора 32 низкого давления и способный охлаждать третью часть 54 выхлопных газов до ввода во впускной коллектор 16. Кроме того, промежуточный охладитель (IC) или охладитель 60 расположен после компрессора 24 высокого давления и способен охлаждать сжатый всасываемый воздух 42 из компрессора 24 высокого давления. В этом варианте осуществления охладители 58 и 60 способствуют сокращению выбросов и оказывают меньшее влияние на удельный расход топлива (SFC) системы. Кроме того, система 10 также включает в себя клапан 62 рециркуляции выхлопных газов (EGR) для управления потоком третьей части 54 выхлопных газов на компрессор 22 низкого давления. Контроллер 64 присоединен к клапану 62 EGR для управления потоком через клапан 62 EGR на основании условий эксплуатации двигателя, например, положения регулятора, высоты, внешней температуры и других факторов, например площади соплового кольца турбины высокого давления, расхода через турбину 30 низкого давления и температуры охладителя EGR, или производительности турбокомпрессора 28 низкого давления, или производительности турбокомпрессора 20 высокого давления и т.д. Преимущественно, вышеописанная рециркуляция выхлопных газов существенно сокращает загрязняющие выбросы из системы 10. В некоторых вариантах осуществления часть выхлопных газов 66 и 68 из турбин 30 и 22 низкого давления и высокого давления может рециркулировать в системе 10 для сокращения выбросов, что будет описано ниже со ссылкой на фиг.2. В некоторых других вариантах осуществления фильтр частиц (не показан) можно применять для фильтрования любых твердых частиц из выхлопных газов 66 и 68.

На фиг.2 показана схема системы 70 двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющей другой иллюстративный механизм рециркуляции выхлопных газов для сокращения загрязняющих выбросов из системы 70. В этом варианте осуществления часть 72 выхлопных газов из турбины 30 низкого давления и турбины 22 высокого давления направляется на компрессор 32 низкого давления через трубопровод 74 и сжимается компрессором 32 низкого давления. Кроме того, сжатые газы 54 направляются во впускной коллектор 16. Снова, клапан 62 EGR можно применять для управления потоком выхлопных газов 72 на компрессор 32 низкого давления. В отличие от варианта осуществления, показанного на фиг.1, выхлопные газы 72 получаются после, а не до турбин 22 и 30. Иными словами, поток выхлопных газов 72 течет последовательно, а не параллельно с потоками выхлопных газов 36 и 46. Кроме того, контроллер 64 присоединен к клапану 62 EGR для управления потоком через клапан 62 EGR на основании условий эксплуатации двигателя. В иллюстрируемом варианте осуществления система 70 также включает в себя фильтр 76 частиц, который способен фильтровать твердые частицы из выхлопных газов 66 и 68 из турбин 30 и 32 низкого давления и высокого давления. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, система 70 включает в себя мотор 78, который способен приводить в действие турбокомпрессор 30 низкого давления при выбранных условиях эксплуатации двигателя 14 внутреннего сгорания.

На фиг.3 показана схема системы 80 двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющей иллюстративный механизм рециркуляции выхлопных газов, присоединенный к левому и правому рядам 82 и 84 цилиндров двигателя. В иллюстрируемом варианте осуществления двигатель 14 включает в себя множество цилиндров (например, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 или более), образующих левый и правый ряды 82 и 84 цилиндров двигателя. Кроме того, часть 86 выхлопных газов из левого ряда 82 цилиндров двигателя направляется в турбину 30 низкого давления через трубопровод 88 для приведения в действие турбины 30, которая, в свою очередь, приводит в действие компрессор 32 низкого давления. Кроме того, часть 90 выхлопных газов из правого ряда 84 цилиндров двигателя направляется на компрессор 32 низкого давления через трубопровод 92 для сжатия. Сжатый газ 54 из компрессора 32 низкого давления затем поступает во впускной коллектор 16 двигателя 14. Снова, потоком выхлопных газов 86 из левого ряда 82 цилиндров двигателя можно управлять с помощью клапана 62 EGR и контроллера 64. Кроме того, как описано выше, турбина 22 высокого давления приводится в действие выхлопными газами 36 из выпускного коллектора 18. Турбина 22 высокого давления приводит в действие компрессор 24 высокого давления для сжатия всасываемого воздуха 40 с последующим вводом сжатого воздуха во впускной коллектор 16. Следует отметить, что выхлопные газы текут через различные турбины и компрессоры параллельно, а не последовательно из разных участков левого и правого рядов 82 и 84 цилиндров.

На фиг.4 показана схема системы 100 двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющей иллюстративный механизм рециркуляции выхлопных газов для двигателя 102 с раздельными впускными и выпускными коллекторами для левого и правого рядов цилиндров двигателя (например, левого и правого рядов камер сгорания или агрегатов поршень/цилиндр). В иллюстрируемом варианте осуществления двигатель 102 включает в себя левый ряд 104 цилиндров двигателя и правый ряд 106 цилиндров двигателя, которые включают в себя узлы поршень/цилиндр, обозначенные как цил. L1 - цил. L8 и цил. R1 - цил. R8, соответственно. Кроме того, левый ряд 104 цилиндров двигателя включает в себя впускной коллектор 108 и выпускной коллектор 110. Аналогично, правый ряд 106 цилиндров двигателя включает в себя впускной коллектор 112 и выпускной коллектор 114. Система двигателя 100 включает в себя турбокомпрессор 116 высокого давления, имеющий турбину 118 высокого давления с изменяемой геометрией, и компрессор 120 высокого давления. Кроме того, система 100 включает в себя турбокомпрессор 122 низкого давления, имеющий компрессор 124 низкого давления, и турбину 126 низкого давления с изменяемой геометрией. В иллюстрируемом варианте осуществления турбокомпрессор 122 низкого давления располагается в, по существу, параллельной конфигурации с турбокомпрессором 116 высокого давления. Иными словами, выхлопные газы поступают на эти турбокомпрессоры 116 и 122 одновременно или независимо из разных выпускных отверстий выпускных коллекторов 110 и 114, а не проходят последовательно из одного турбокомпрессора в другой. Кроме того, турбина 118 высокого давления присоединена с возможностью привода к компрессору 120 высокого давления через вал 128. Аналогично, турбина 126 низкого давления присоединена с возможностью привода к компрессору 124 низкого давления через вал 130.

Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.4, выхлопные газы из левого и правого рядов 104 и 106 цилиндров двигателя рециркулируют в системе 100. В ходе эксплуатации турбина 118 высокого давления приводится в действие частью выхлопных газов 132 и 134 из выпускных коллекторов 110 и 114 левого и правого рядов 104 и 106 цилиндров. Кроме того, компрессор 120 высокого давления приводится в действие турбиной 118 высокого давления и способен сжимать всасываемый воздух 136. Затем сжатый всасываемый воздух направляется во впускные коллекторы 108 и 112 левого и правого рядов 104 и 106 цилиндров, что представлено условными обозначениями 138 и 140. В некоторых вариантах осуществления промежуточные охладители 142 и 144 можно применять для охлаждения сжатого воздуха 138 и 140 до его ввода во впускные коллекторы 108 и 112. Кроме того, выхлопные газы 146 из турбины 118 высокого давления можно фильтровать посредством фильтра 148 частиц и затем выбрасывать в атмосферу, что представлено условным обозначением 150.

Кроме того, турбина 126 низкого давления приводится в действие частью выхлопных газов 152 из выпускного коллектора 110. В этом варианте осуществления клапан 154 EGR применяется для управления потоком выхлопных газов 152. Компрессор 124 низкого давления приводится в действие турбиной 126 низкого давления и принимает часть 156 выхлопных газов из выпускного коллектора 114 правого ряда 106 цилиндров двигателя. В некоторых вариантах осуществления фильтр 158 частиц может располагаться до компрессора 124 низкого давления для фильтрации любых твердых частиц в газах 156. Кроме того, сжатые газы направляются во впускные коллекторы 108 и 112, что представлено условными обозначениями 160 и 162. В некоторых вариантах осуществления охладитель 164 можно применять для охлаждения газов 160 и 162 до их ввода во впускные коллекторы 108 и 112. Кроме того, фильтр частиц (не показан) может располагаться после турбокомпрессора 122 низкого давления для фильтрации твердых частиц в выхлопных газах из турбины 126 низкого давления. В некоторых других вариантах осуществления перепускной клапан 166 компрессора можно применять для направления части несжатых выхлопных газов 156 во впускные коллекторы 108 и 112. Например, перепускной клапан компрессора можно приводить в действие при более низких положениях регулятора для направления части несжатых выхлопных газов 156 во впускные коллекторы 108 и 112.

На фиг.5 показана схема системы 170 двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющей иллюстративный механизм рециркуляции выхлопных газов для двигателя 172 с левым и правым рядами цилиндров двигателя с общим впускным коллектором. В иллюстрируемом варианте осуществления двигатель 172 включает в себя левый и правый ряды 174 и 176 цилиндров двигателя, имеющие множество цилиндров или узлов цилиндр/поршень, обозначенных цил. L1 - цил. L8 и цил. R1 - цил. R8, соответственно. Кроме того, двигатель 172 включает в себя общий впускной коллектор 180 и выпускные коллекторы 182 и 184, присоединенные к левому и правому рядам 174 и 176 цилиндров двигателя. Показано, что части выхлопных газов 132 и 134 из выпускных коллекторов 182 и 184 используются для приведения в действие турбины 118 высокого давления, которая, в свою очередь, приводит в действие компрессор 120 высокого давления через вал 128. Кроме того, всасываемый воздух 136 поступает в компрессор 120 высокого давления, и потоки сжатого всасываемого воздуха 138 и 140 из компрессора 120 высокого давления направляются в общий впускной коллектор 180 через левый и правый промежуточные охладители 142 и 144, соответственно. Снова, выхлопные газы 146 из турбины 118 высокого давления могут проходить через фильтр 148 частиц до выхода в атмосферу, что указано стрелкой 150. Аналогично, часть 152 выхлопных газов из выпускного коллектора 182 левого ряда 174 цилиндров двигателя направляется для приведения в действие турбины 126 низкого давления, и часть выхлопных газов из выпускного коллектора 184 правого ряда 176 цилиндров двигателя направляется в компрессор 124 низкого давления для дальнейшего сжатия и ввода во впускной коллектор 180. Преимущественно, рециркуляция выхлопных газов в системе 170, как описано ниже, способствует существенному сокращению выбросов из системы 170. Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.5, выхлопные газы текут через различные турбины и компрессоры параллельно, а не последовательно. Иными словами, выхлопные газы проходят через различные турбины и компрессоры одновременно и независимо вместо того, чтобы проходить через компрессоры один за другим или турбины - одну за другой.

На фиг.6 показана схема системы 190 двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющей иллюстративный механизм рециркуляции выхлопных газов для двигателя 172 с раздельными турбокомпрессорами, присоединенными к левому и правому рядам цилиндров двигателя. В иллюстрируемом варианте осуществления система 190 включает в себя первый турбокомпрессор 192 высокого давления и второй турбокомпрессор 194 высокого давления, присоединенные к рядам 174 и 176 цилиндров двигателя. Кроме того, система 190 включает в себя турбокомпрессор 122 низкого давления, соединенный в непоследовательной или, по существу, параллельной и независимой конфигурации с первым и вторым турбокомпрессорами 192 и 194 высокого давления. Первый турбокомпрессор 192 высокого давления включает в себя турбину 196 высокого давления с изменяемой геометрией и компрессор 198 высокого давления. Аналогично, второй турбокомпрессор 194 высокого давления включает в себя турбину 200 высокого давления с изменяемой геометрией и компрессор 202 высокого давления. Кроме того, компрессор 198 высокого давления присоединен с возможностью привода к турбине 196 высокого давления через вал 204. Аналогично, компрессор 202 высокого давления присоединен с возможностью привода к турбине 200 высокого давления через вал 206. В данном варианте осуществления система 190 включает в себя выпускные коллекторы 182 и 184 и общий впускной коллектор 180, как описано выше со ссылкой на фиг.5.

В ходе эксплуатации турбина 196 высокого давления приводится в действие частью выхлопных газов 208 из выпускного коллектора 182 левого ряда 174 цилиндров двигателя. Аналогично, турбина 200 высокого давления приводится в действие частью выхлопных газов 210 из выпускного коллектора 184 правого ряда 176 цилиндров двигателя. Кроме того, компрессоры 198 и 202 высокого давления приводятся в действие турбинами 196 и 200 высокого давления, соответственно. Компрессоры 198 и 202 высокого давления принимают всасываемый воздух 212 и способны сжимать всасываемый воздух 212 для генерации потоков сжатого всасываемого воздуха 214 и 216, которые затем направляются во впускной коллектор 180. В этом варианте осуществления промежуточные охладители 218 и 220 располагаются после компрессоров 198 и 202 высокого давления для охлаждения сжатого всасываемого воздуха 214 и 216 до ввода во впускной коллектор 180. Кроме того, как описано выше со ссылкой на фиг.5, турбина 126 низкого давления приводится в действие выхлопными газами 152 из выпускного коллектора 182. Кроме того, выхлопные газы 156 из выпускного коллектора 184 направляются в компрессор 124 низкого давления и затем рециркулируют во впускной коллектор 180.

На фиг.7 показана схема другой системы 220 двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, имеющей иллюстративный механизм рециркуляции выхлопных газов для двигателя 172 с общим промежуточным охладителем для левого и правого рядов цилиндров двигателя. Конфигурация для рециркуляции выхлопных газов для этого варианта осуществления аналогична варианту осуществления, показанному на фиг.5. Как описано выше, выхлопные газы 132 и 134 из выпускных коллекторов 182 и 184 используются для приведения в действие турбины 118 высокого давления турбокомпрессора 116 высокого давления. Кроме того, всасываемый воздух 136 сжимается компрессором 120 высокого давления, который приводится в действие турбиной 118 высокого давления. В этом варианте осуществления общий промежуточный охладитель 222 располагается после компрессора 120 высокого давления для охлаждения сжатого всасываемого воздуха 224 из компрессора 120 высокого давления и последующего ввода сжатого всасываемого воздуха 224 во впускной коллектор 180, что представлено условным обозначением 226.

Рециркуляция выхлопных газов, описанная выше со ссылкой на фиг.1-7, способствует существенному сокращению загрязняющих выбросов из системы двигателя с турбонаддувом. На фиг.8 показан график 230 иллюстративных результатов для выбросов NO_x и удельного расхода топлива при испытании двигателя на тормозном стенде (BSFC) при разных температурах охладителя EGR для двигателей внутреннего сгорания с турбонаддувом, показанных на фиг.1-7. В иллюстрируемом варианте осуществления по оси 232 абсцисс отложена температура охладителя для рециркуляции выхлопных газов, и по оси 234 ординат отложено изменение % выбросов NO_x из двигателей внутреннего сгорания с турбонаддувом, показанных на фиг.1-7. Кроме того, по оси 236 ординат отложено изменение % BSFC системы двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом. Выбросы NO_x при разных температурах охладителя EGR представлены профилем 238, и изменение BSFC представлено иллюстративным профилем 240. В этом варианте осуществления разные температуры охладителя EGR указывают разные отношения EGR в системе двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом.

Показано, что выбросы 238 NO_x из системы сокращаются, когда температура 232 охладителя EGR снижается в течение периода времени. Таким образом, когда отношение EGR в системе возрастает, выбросы 238 NO_x из системы существенно сокращаются. Кроме того, в этом варианте осуществления, как показывает профиль 240, BSFC системы существенно не изменяется при разных температурах охладителя EGR. В иллюстрируемом варианте осуществления EGR в системе обеспечивает выигрыш в % NO_x около 42% без существенного роста BSFC.

Различные аспекты вышеописанного способа применяются в различных областях, например двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом, установленных на автомобилях, локомотивах и т.д., как указано выше, избирательная рециркуляция выхлопных газов в системе обеспечивает сокращение выбросов, в частности выбросов NO_x из таких систем, что облегчает эксплуатацию двигателя в режиме, благоприятном для окружающей среды. Кроме того, вышеописанный способ способствует существенному сокращению выбросов NO_x для разных условий эксплуатации двигателя при достижении нужного удельного расхода топлива (SFC) для двигателя.

Хотя здесь были описаны и проиллюстрированы лишь некоторые признаки изобретения, специалисты в данной области техники могут предложить многочисленные модификации и изменения. Поэтому следует понимать, что прилагаемая формула изобретения призвана охватывать все подобные модификации и изменения, отвечающие истинной сущности изобретения.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с турбонаддувом. Система включает в себя двигатель внутреннего сгорания, имеющий впускной коллектор и выпускной коллектор, турбокомпрессор высокого давления, имеющий турбину высокого давления с изменяемой геометрией, присоединенную с возможностью привода к компрессору высокого давления, при этом турбина высокого давления с изменяемой геометрией выполнена с возможностью приведения в действие первой частью выхлопных газов из выпускного коллектора, причем компрессор высокого давления выполнен с возможностью сжатия всасываемого воздуха и подачи сжатого всасываемого воздуха во впускной коллектор. Система также включает в себя турбокомпрессор низкого давления, имеющий турбину низкого давления с изменяемой геометрией, присоединенную с возможностью привода к компрессору низкого давления, при этом турбина низкого давления с изменяемой геометрией выполнена с возможностью приведения в действие второй частью выхлопных газов из выпускного коллектора, причем компрессор низкого давления выполнен с возможностью сжатия третьей части выхлопных газов из выпускного коллектора и подачи сжатой третьей части во впускной коллектор, при этом первая и вторая части выхлопных газов отличаются друг от друга. Рассмотрен способ эксплуатации системы двигателя, а также способ сокращения загрязняющих выбросов в двигателе внутреннего сгорания. Изобретение обеспечивает сокращение выбросов для разных условий эксплуатации двигателя. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система, содержащая
двигатель внутреннего сгорания, имеющий впускной коллектор и выпускной коллектор,
турбокомпрессор высокого давления, имеющий турбину высокого давления с изменяемой геометрией, присоединенную с возможностью привода к компрессору высокого давления, при этом турбина высокого давления с изменяемой геометрией выполнена с возможностью приведения в действие первой частью выхлопных газов из выпускного коллектора, причем компрессор высокого давления выполнен с возможностью сжатия всасываемого воздуха и подачи сжатого всасываемого воздуха во впускной коллектор, и
турбокомпрессор низкого давления, имеющий турбину низкого давления с изменяемой геометрией, присоединенную с возможностью привода к компрессору низкого давления, при этом турбина низкого давления с изменяемой геометрией выполнена с возможностью приведения в действие второй частью выхлопных газов из выпускного коллектора, причем компрессор низкого давления выполнен с возможностью сжатия третьей части выхлопных газов из выпускного коллектора и подачи сжатой третьей части во впускной коллектор, при этом первая и вторая части выхлопных газов отличаются друг от друга.

2. Система по п.1, в которой двигатель внутреннего сгорания представляет собой двигатель с воспламенением от сжатия.

3. Система по п.2, в которой двигатель с воспламенением от сжатия представляет собой дизельный двигатель.

4. Система по п.1, дополнительно содержащая охладитель, расположенный после компрессора низкого давления и выполненный с возможностью охлаждения третьей части выхлопных газов до ввода во впускной коллектор.

5. Система по п.1, дополнительно содержащая охладитель воздуха, расположенный после компрессора высокого давления и выполненный с возможностью охлаждения сжатого всасываемого воздуха из компрессора высокого давления.

6. Система по п.1, дополнительно содержащая клапан рециркуляции выхлопных газов (EGR), выполненный с возможностью управления потоком третьей части выхлопных газов в компрессор низкого давления.

7. Система по п.6, дополнительно содержащая контроллер, выполненный с возможностью управления потоком через клапан рециркуляции выхлопных газов на основании условий эксплуатации двигателя или производительности турбокомпрессора низкого давления, или производительности турбокомпрессора высокого давления, или их комбинации.

8. Система по п.1, дополнительно содержащая фильтр частиц, выполненный с возможностью фильтрования твердых частиц из выхлопных газов до ввода выхлопных газов в компрессор низкого давления.

9. Система по п.1, в которой давление во впускном коллекторе существенно выше давления в выпускном коллекторе.

10. Система по п.1, в которой третья часть включает в себя, по меньшей мере, часть первой части выхлопных газов, выходящей из турбины высокого давления.

11. Система по п.1, дополнительно содержащая мотор, выполненный с возможностью приведения в действие турбокомпрессора низкого давления при выбранных условиях эксплуатации двигателя внутреннего сгорания.

12. Система по п.1, в которой двигатель внутреннего сгорания содержит множество цилиндров, размещенных в виде левого и правого рядов цилиндров двигателя.

13. Система по п.12, в которой первая и вторая части выхлопных газов содержат выхлопные газы из левого и правого рядов цилиндров двигателя.

14. Система по п.1, в которой система содержит автомобиль или локомотив, или судно, или промышленную установку.

15. Способ эксплуатации системы двигателя, включающий
направление первой части выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания для приведения в действие турбины высокого давления с изменяемой геометрией турбокомпрессора высокого давления,
направление второй части выхлопных газов для приведения в действие турбины низкого давления с изменяемой геометрией турбокомпрессора низкого давления, и
направление третьей части выхлопных газов в компрессор низкого давления турбокомпрессора низкого давления для сжатия третьей части выхлопных газов для нагнетания в двигатель внутреннего сгорания, при этом первая и вторая части выхлопных газов отличаются друг от друга.

16. Способ по п.15, дополнительно включающий приведение в действие компрессора высокого давления турбокомпрессора высокого давления посредством турбины высокого давления для подачи сжатого всасываемого воздуха в двигатель внутреннего сгорания.

17. Способ по п.16, дополнительно включающий охлаждение сжатого всасываемого воздуха из компрессора высокого давления посредством охладителя воздуха, расположенного после компрессора высокого давления.

18. Способ по п.15, дополнительно включающий приведение в действие компрессора низкого давления турбокомпрессора низкого давления посредством турбины низкого давления.

19. Способ по п.15, дополнительно включающий охлаждение выхлопных газов из компрессора низкого давления до нагнетания в двигатель внутреннего сгорания.

20. Способ по п.15, дополнительно включающий управление потоком третьей части выхлопных газов в компрессор низкого давления через клапан рециркуляции выхлопных газов на основании условий эксплуатации двигателя или производительности турбокомпрессора низкого давления, или производительности турбокомпрессора высокого давления, или их комбинации.

21. Способ по п.15, дополнительно включающий фильтрование твердых частиц из выхлопных газов до ввода выхлопных газов в компрессор низкого давления.

22. Способ сокращения загрязняющих выбросов в двигателе внутреннего сгорания, включающий
присоединение турбокомпрессора высокого давления, имеющего компрессор высокого давления и турбину высокого давления с изменяемой геометрией, к двигателю внутреннего сгорания,
соединение турбокомпрессора низкого давления, имеющего компрессор низкого давления и турбину низкого давления с изменяемой геометрией, в, по существу, параллельной конфигурации потоков с турбокомпрессором высокого давления, при этом, по существу, параллельная конфигурация потоков включает в себя первую часть выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания в турбину высокого давления с изменяемой геометрией и вторую часть выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания в турбину низкого давления с изменяемой геометрией.

23. Способ по п.22, в котором, по существу, параллельная конфигурация потоков содержит третью часть выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания в компрессор низкого давления.

24. Способ по п.23, дополнительно включающий присоединение клапана рециркуляции выхлопных газов для управления потоком третьей части выхлопных газов в компрессор низкого давления.

25. Способ по п.22, включающий направление части выхлопных газов из турбины высокого давления в компрессор низкого давления с последующим вводом сжатых выхлопных газов во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания.

26. Способ по п.22, дополнительно включающий присоединение мотора, выполненного с возможностью приведения в действие компрессора низкого давления турбокомпрессора низкого давления.