ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F02M25/07 F02D21/08 F02B37/16 F02B37/18 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом. Оно касается двигателя внутреннего сгорания, в котором применяется рециркуляция выпускных газов из выпускного клапана в цилиндр двигателя через впускной клапан.

Известны различные двигатели внутреннего сгорания, в которых используется рециркуляция выпускных газов. В двигателях, показанных в патентах №№1751380, 2231660, выданных в РФ, в патенте №8353275, выданном в США, рециркуляцию выпускных газов осуществляют по внутреннему контуру между выпускным и впускным коллекторами, где давление газов при турбонаддуве значительно выше атмосферного. В двигателях, изображенных в патентах №№2006610, 2230212, выданных в РФ, рециркуляцию отработавших газов осуществляют по внешнему контуру, а именно из выпускной системы транспортного средства через впускной патрубок компрессора турбокомпрессора при давлении газов, близком к атмосферному. В качестве более близкого аналога принят двигатель внутреннего сгорания, показанный в патенте №6470682, выданном в США, МПК F02M 25/07, который содержит цилиндр с поршнем, впускной и выпускной клапаны, турбокомпрессор, канал для прохода воздуха от компрессора турбокомпрессора к впускному клапану, канал для прохода выпускных газов от выпускного клапана к турбине турбокомпрессора. В этом двигателе внутреннего сгорания отработавшие газы, поступающие от турбины турбокомпрессора, подают либо на вход в компрессор либо во впускной коллектор с помощью компрессора, что требует дополнительного расхода энергии. Однако применение регулирования наддува в сочетании только с внешним контуром рециркуляции выпускных газов или только с внутренним контуром рециркулирующих выпускных газов сужает возможности и понижает эффективность использования двигателя.

Задачей является повышение эффективности работы двигателя, сокращение выбросов оксидов азота, улучшение топливной экономичности путем сочетания внутреннего контура рециркуляции выпускных газов с выходом на внешний контур и контур регулирования компрессора турбокомпрессора.

Решение задачи повышения эффективности работы и улучшения топливной экономичности двигателя, сокращения выбросов оксидов азота обеспечено тем, что двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр с поршнем, впускной и выпускной клапаны, турбокомпрессор, канал для прохода воздуха от компрессора турбокомпрессора к впускному клапану, канал для прохода выпускных газов от выпускного клапана к турбине турбокомпрессора, при этом он содержит многопозиционный распределитель, в одной из позиций сообщающий канал прохода выпускных газов через рециркуляционный канал с впускным клапаном, в другой позиции сообщающий канал прохода выпускных газов через рециркуляционный канал с входом в компрессор, в третьей позиции сообщающий канал прохода воздуха от компрессора с входом в компрессор и с рециркуляционным каналом. В рециркуляционном канале между каналом прохода выпускных газов от выпускного клапана к турбине турбокомпрессора и многопозиционным распределителем установлен управляемый клапан.

При таком выполнении двигателя внутреннего сгорания, снабженного турбокомпрессором, обеспечена возможность регулирования наддува в сочетании и с внутренним, и с внешним контуром рециркуляции выпускных или отработавших газов, что расширяет возможности и повышает эффективность использования двигателя.

Многопозиционный распределитель выполнен в виде тройникового узла, содержащего корпус круглого, эллиптического или прямоугольного сечения, соединенный с тремя патрубками такого же сечения, из которых два патрубка расположены соосно вдоль одной оси, а третий патрубок расположен под углом к указанной оси, равном 90°±40°, в корпусе распределителя расположена поворотная заслонка, в одном из своих положений сообщающая между собой все три патрубка, а в других положениях сообщающая между собой любые два несоосных патрубка.

На фигуре 1 показан двигатель внутреннего сгорания с расположением его заслонок в первой позиции.

На фигуре 2 показан двигатель внутреннего сгорания с расположением его заслонок во второй позиции.

На фигуре 3 показан двигатель внутреннего сгорания с расположением его заслонок в третьей позиции.

На фигуре 4 показан двигатель внутреннего сгорания с расположением его заслонок в четвертой позиции.

На фигуре 5 показан двигатель внутреннего сгорания с расположением его заслонок в пятой позиции.

На фигуре 6 изображен многопозиционный распределитель.

Двигатель внутреннего сгорания, показанный на фигурах 1-5, содержит обычные поршни, расположенные в цилиндрах. Выпускной клапан 1, предназначенный для выпуска из цилиндра отработавших газов, соединен рециркуляционным каналом 2 с клапаном рециркуляции 3, далее через охладитель и другой участок 4 канала 2 - с многопозиционным распределителем 5, затем - через канал 6 с впускным клапаном 7 и с каналом 8 прохода воздуха из компрессора 9 турбокомпрессора 10. С другой стороны многопозиционный распределитель 5 соединен через канал 11 с входом 12 компрессора 9.

Сочетания положений клапана 3 и заслонки 13 распределителя 5 могут быть следующими.

При сочетании, показанном на фигуре 1, клапан рециркуляции 3 открыт. Расположенная в распределителе 5 заслонка 13 закрывает канал 11 к входу 12 компрессора 9. Одновременно полностью открывается канал 6, соединенный с впускной трубой 14, и тем самым обеспечен доступ к впускному клапану 7.

При сочетании, показанном на фигуре 2, клапан рециркуляции 3 открыт. Заслонка 13 в распределителе 5 закрывает канал 6. Одновременно полностью открывает канал 11 и доступ к входу 12 компрессора 9.

При сочетании, показанном на фигуре 3, клапан рециркуляции 3 закрыт. Заслонка 13 в распределителе 5 соединяет канал 6 с выходом 8 компрессора 9 и с каналом 11, открывая доступ к входу 12 компрессора 9.

При сочетании, показанном на фигуре 4, клапан рециркуляции 4 закрыт. Заслонка 13 перекрывает канал 6.

При сочетании, показанном на фигуре 5, клапан рециркуляции 3 открыт. Заслонка 13 в многопозиционном распределителе 5 соединяет между собой каналы 2, 6, 11.

Клапан рециркуляции 3 и заслонка 13 в распределителе 5 имеют электропневматические приводы, соответственно, 15 и 16, которые управляются электронным блоком управления 17 посредством электрических средств 19 и 20. Аналогичным образом осуществляют управление посредством электропневматического привода 18 впускным дросселем 21 в канале 8.

Многопозиционный распределитель 5, содержащий заслонку 13, имеющую эллиптический или прямоугольный профиль, представляет собой тройниковый узел. Он содержит корпус 22 круглого, эллиптического или прямоугольного сечения с тремя патрубками 23, 24 и 25. Патрубки 23 и 24 расположены соосно вдоль одной оси, а третий патрубок 25 расположен поперек двух других патрубков под углом к указанной оси, равном 90°±40°. В патрубке 25 расположен рециркуляционный канал 2, в патрубке 24 расположен канал 6, сообщающий распределитель 5 с впускной трубой 14, в патрубке 23 расположен канал 11, предназначенный для прохода рециркуляционных газов на вход 12 в компрессор 9. Поворотная заслонка 13 расположена в корпусе распределителя 5 на поворотной оси 26 и имеет привод посредством рычага 27 и связанной с ним тяги. В одном из своих положений заслонка 13 сообщает между собой все три патрубка, а в других положениях сообщающая между собой любые два несоосных патрубка, а именно патрубки 23 и 25 либо патрубки 24 и 25.

Взаимодействие клапанов в двигателе внутреннего сгорания, работающего на составах смеси, близких к стехиометрическим, осуществляют следующим образом. На большинстве режимов с нагрузками несколько ниже, чем максимальные, при снижении нагрузок клапан рециркуляции 3 приоткрывают в одном из позиционируемых положений, которое определяет уровень вращения коленчатого вала преимущественно выше средних, заслонкой 13 в распределителе 5 закрывают канал 11 и полностью открывают канал 6 для рециркулирующих газов прямо на вход во впускную трубу 14 и выпускной клапан 7 (фигура 1). В результате сокращаются выбросы оксидов азота и количество воздуха в составе горючей смеси до стехиометрического уровня соответственно снижению подачи топлива.

В случае недостатка рециркуляционного перепада - разницы давлений газов в выпускном канале 4 и воздуха во впускной трубе 14, например, на средних частотах вращения вала двигателя или ниже средних, заслонкой 13 в распределителе 5 закрывают канал 6 и одновременно полностью открывают канал 11 для прохода регулирующих газов на вход 12 в компрессор 9 (фигура 2), и тогда рециркуляционный перепад возрастает на величину избыточного давления в компрессоре 9. При этом клапан рециркуляции 3 открыт. В результате эффект по сокращению выбросов оксидов азота и количества воздуха в составе горючей смеси на этом режиме более значителен, чем на первом режиме, что позволяет либо меньше открывать клапан рециркуляции 3, либо использовать этот режим при резком сокращении нагрузки.

При необходимости предотвращения детонации клапан рециркуляции 3 закрывают, а заслонку 13 в распределителе 5 открывают (фигура 3). При этом канал 6 соединяет выход 8 компрессора 9 каналом 11 с входом 12 компрессора 9, в который перепускают часть наддувочного воздуха. В этом случае снижается давление наддува без нагрева горючей смеси рециркулирующими газами во избежание детонации.

На ряде режимов не требуется ни рециркуляция выпускных газов, ни перепуск наддувочного воздуха, например при пуске двигателя. На этих режимах клапан рециркуляции 3 закрывают. А заслонкой 13 в распределителе 5 закрывают канал 6 (фигура 4), что предотвращает перепуск наддувочного воздуха с выхода 8 компрессора 9. При этом дроссель 21 прикрывают.

Наконец, возможны режимы, когда требуется перепуск наддувочного воздуха для снижения нагрузки и рециркуляция выпускных газов для сокращения выбросов оксидов азота, если она возможна по условиям детонации. Тогда открывают клапан 3 и устанавливают заслонку 13 вдоль каналов 6 и 11, соединяя их с участком 4 канала 2. Давление во впускной трубе 14 получается не ниже, чем в выпускном канале 4. Потоки перепускаемого воздуха и рециркулирующих газов направляют в количествах, соответствующих разницам давлений в каналах 11 и 6, в каналах 11 и 4, в каналах 4 и 6.

На всех режимах, кроме режима пуска, воздушный дроссель 21 полностью открывают при уменьшении нагрузки, поскольку требуемое сокращение количества воздуха в составе горючей смеси обеспечивается вытеснением воздуха потоками рециркулирующих газов и/или снижением давления наддува при перепуске наддувочного воздуха.

Таким образом, во время управления двигателем внутреннего сгорания, снабженным турбокомпрессором 10, при частоте вращения вала двигателя выше средней величины подают выпускные газы к впускному клапану 7, при средней и меньшей частоте вращения вала двигателя подают выпускные газы на вход в компрессор 9 турбокомпрессора 10, при снижении нагрузки на двигатель подают выпускные газы и к впускному клапану 7, и на вход в компрессор 9. А при работе двигателя на режиме, при котором возможна детонация, прекращают рециркуляцию выпускных газов и направляют часть наддувочного воздуха на вход в компрессор 9.

Позиционирование клапана 3 и заслонки 13, а также дросселя 21 отслеживают по сигналам с датчиков положения приводов 15, 16, 18 и осуществляют электронным блоком управления 17 в поле многопараметровой характеристики двигателя - карты двигателя - в зависимости от сигналов с датчиков частоты вращения коленчатого вала двигателя, нагрузки, детонации, температуры охлаждающей жидкости, расхода воздуха, давления и температуры наддувочного воздуха.

В результате указанного объединения внутреннего контура рециркуляции выпускных газов с выходом на внешний контур и контур регулирования компрессора турбокомпрессора сокращаются согласно проведенным стендовым испытаниям выбросы оксидов азота, одновременно улучшается топливная экономичность благодаря устранению дроссельных потерь в воздушном дросселе, возрастает гибкость, быстродействие управления двигателем, что важно как в эксплуатации, так и при сертификации двигателя с быстропеременными режимами.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр с поршнем, впускной и выпускной клапаны (7) и (1), турбокомпрессор (10), канал (8) для прохода воздуха от компрессора (9) турбокомпрессора к впускному клапану (7) и канал (4) для прохода выпускных газов от выпускного клапана (1) к турбине турбокомпрессора. Двигатель содержит многопозиционный распределитель (5), в одной из позиций сообщающий канал (4) прохода выпускных газов через рециркуляционный канал (2) с впускным клапаном (7). В другой позиции многопозиционный распределитель (5) сообщает канал (4) прохода выпускных газов через рециркуляционный канал (2) с входом в компрессор. В третьей позиции многопозиционный распределитель (5) сообщает канал (8) прохода воздуха от компрессора (9) с входом в компрессор и с рециркуляционным каналом (2). В рециркуляционном канале (2) между каналом (4) прохода выпускных газов от выпускного клапана (1) к турбине турбокомпрессора и многопозиционным распределителем (5) установлен управляемый клапан (3). Технический результат заключается в снижении выбросов азота. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с поршнем, впускной и выпускной клапаны, турбокомпрессор, канал для прохода воздуха от компрессора турбокомпрессора к впускному клапану, канал для прохода выпускных газов от выпускного клапана к турбине турбокомпрессора, отличающийся тем, что он содержит многопозиционный распределитель, в одной из позиций сообщающий канал прохода выпускных газов через рециркуляционный канал с впускным клапаном, в другой позиции сообщающий канал прохода выпускных газов через рециркуляционный канал с входом в компрессор, в третьей позиции сообщающий канал прохода воздуха от компрессора с входом в компрессор и с рециркуляционным каналом, в рециркуляционном канале между каналом прохода выпускных газов от выпускного клапана к турбине турбокомпрессора и многопозиционным распределителем установлен управляемый клапан.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что многопозиционный распределитель выполнен в виде тройникового узла, содержащего корпус круглого, эллиптического или прямоугольного сечения, соединенный с тремя патрубками такого же сечения, из которых два патрубка расположены соосно вдоль одной оси, а третий патрубок расположен под углом к указанной оси, равном 90°±40°, в корпусе распределителя расположена поворотная заслонка, в одном из своих положений сообщающая между собой все три патрубка, а в других положениях сообщающая между собой любые два несоосных патрубка.