ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК F02M26/02 F02M26/05 F02M26/21 F02D21/08 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, в которых применяется рециркуляция отработавших и/или выпускных газов из выпускного клапана в цилиндр двигателя через впускной клапан.

Отработавшими газами называются газы после выхода из турбины турбокомпрессора. Выпускными газами называются газы на выходе из выпускного клапана двигателя до входа в турбину турбокомпрессора.

Известны двигатели внутреннего сгорания, в которых осуществляются различные схемы рециркуляции отработавших или выпускных газов. В патентах США №6141959 (опубл. 07.11.2000 г.) и №9002622 (опубл. 07.04.2015 г.) рециркуляцию выпускных газов осуществляют по внутреннему контуру между выпускным и впускным коллекторами, где давление газов при турбонаддуве значительно выше атмосферного. В международной заявке ВОИС №2013017524 (опубл. 07.02.2013 г.), а также в патенте США №8443789 (опубл. 21.05.2013 г.) 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. Однако использование в двигателе турбонаддува в сочетании только с внешним контуром рециркуляции отработавших газов или только с внутренним контуром рециркуляции выпускных газов сужает возможности и понижает эффективность использования двигателя внутреннего сгорания.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) принят двигатель внутреннего сгорания, представленный в международной заявке ВОИС №2007064949, опубликованной 07.06.2007 г. Этот двигатель внутреннего сгорания содержит турбокомпрессор, впускной трубопровод для прохода воздуха от компрессора турбокомпрессора к впускному клапану, выпускной трубопровод для прохода выпускных газов от выпускного клапана к турбине турбокомпрессора, рециркуляционный канал, содержащий позиционируемую заслонку и теплообменник охлаждения рециркулирующих газов. В этом двигателе подают часть отработавших газов, поступающих с выхода турбины турбокомпрессора, на вход в компрессор, а часть выпускных газов - из выпускного коллектора во впускной коллектор, при этом рециркуляция газов происходит по различным контурам через отдельные теплообменники охлаждения рециркулирующих газов и позиционируемые заслонки. Однако использование многоконтурных систем рециркуляции газов с двумя и более теплообменниками охлаждения рециркулирующих газов, увеличивающих габариты и массу двигателя и его мотоотсека, сужает возможности и понижает эффективность использования двигателя внутреннего сгорания.

При создании двигателя внутреннего сгорания решалась задача совмещения участков контуров рециркуляции для обеспечения возможности прохождения рециркулирующих газов через общий для всех контуров рециркуляции теплообменник охлаждения рециркулирующих газов.

Технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, заключается в повышении эффективности работы двигателя, его компактности, сокращении выбросов оксидов азота и улучшении топливной экономичности путем расширения возможностей использования рециркулирующих газов.

Указанный технический результат достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий турбокомпрессор, впускной трубопровод для прохода воздуха от компрессора турбокомпрессора к впускному клапану, выпускной трубопровод для прохода выпускных газов от выпускного клапана к турбине турбокомпрессора, рециркуляционный канал, содержащий позиционируемую заслонку и теплообменник охлаждения рециркулирующих газов, содержит дополнительно двухпозиционную заслонку, расположенную в рециркуляционном канале перед позиционируемой заслонкой, двухпозиционную заслонку, расположенную на участке рециркуляционного канала между упомянутой позиционируемой заслонкой и впускным клапаном, двухпозиционную заслонку, расположенную на участке рециркуляционного канала между упомянутой позиционируемой заслонкой и входом в компрессор, дополнительную позиционируемую заслонку, расположенную в выпускном трубопроводе после турбины, двухпозиционную заслонку для сообщения участка выпускного трубопровода, расположенного между турбиной и дополнительной позиционируемой заслонкой, с участком рециркуляционного канала, расположенным между упомянутой позиционируемой заслонкой и расположенной перед ней двухпозиционной заслонкой.

При таком выполнении двигателя внутреннего сгорания, снабженного турбокомпрессором, совмещены участки контуров рециркуляции, что обеспечивает возможность прохождения рециркулирующих газов через общий для всех контуров рециркуляции теплообменник охлаждения рециркулирующих газов. Это совмещение участков контуров рециркуляции повышает эффективность работы двигателя и его компактность, при этом сокращаются выбросы оксидов азота и улучшается топливная экономичность двигателя.

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.

Двигатель внутреннего сгорания, показанный на фигурах 1-4, содержит компрессор 1, осуществляющий подачу сжатого воздуха или его смеси с рециркулирующими газами по впускному трубопроводу 2 через теплообменник 3 охлаждения наддувочного воздуха и позиционируемую заслонку 4 к впускному клапану 5 двигателя.

С выпускным клапаном 6 двигателя сообщен выпускной трубопровод 7 для прохода выпускных газов к турбине 8 турбокомпрессора 9, осуществляющей привод компрессора 1. С выпускным трубопроводом 7 сообщен рециркуляционный канал 10, содержащий позиционируемую заслонку 11, теплообменник 12 охлаждения рециркулирующих газов, расположенный в канале 10 после заслонки 11, и двухпозиционную заслонку 13, расположенную перед позиционируемой заслонкой 11. На участке 14 рециркуляционного канала установлена двухпозиционная заслонка 15, сообщающая рециркуляционный канал с впускным клапаном 5. На другом участке 16 рециркуляционного канала установлена двухпозиционная заслонка 17, сообщающая рециркуляционный канал со входом 18 в компрессор 1 турбокомпрессора 9.

В выпускном трубопроводе на выходе 19 из турбины 8 расположена дополнительная позиционируемая заслонка 20. Участок выпускного трубопровода, расположенный между выходом 19 из турбины 8 и дополнительной позиционируемой заслонкой 20, сообщен с участком рециркуляционного канала 10, расположенным между позиционируемой заслонкой 11 и двухпозиционной заслонкой 13, посредством двухпозиционной заслонки 21, установленной в канале 22 подачи части отработавших газов от турбины 8.

Позиционируемые заслонки 4, 11, 20 имеют электропневматические приводы 23, подключенные к электронному блоку 24 управления двигателем. К этому же блоку подключены приводы 25, изменяющие положение двухпозиционных заслонок 13, 15, 17 и 21.

Взаимодействие и порядок работы заслонок в двигателе внутреннего сгорания осуществляется следующим образом.

На ряде режимов, например, при неработающем двигателе все три контура рециркуляции газов блокируются. Позиционируемая заслонка 11, двухпозиционные заслонки 13, 15, 17, 21 - все закрыты. Заслонки 4, 20, установленные для усиления рециркуляционных перепадов, либо полностью открыты, либо позиционируются в зависимости от условий работы двигателя (фигура 1).

На режимах малых нагрузок при низких и средних частотах вращения двигателя работает внутренний контур рециркуляции (фигура 2). Двухпозиционные заслонки 13, 15 полностью открыты, а двухпозиционные заслонки 17, 21 полностью закрыты. Позиционируемая заслонка 11 и заслонка 4 усиления рециркуляционного перепада находятся в одном из позиционируемых положений. Заслонка 20 полностью открыта либо находится в одном из позиционируемых положений. При этом выпускные газы высокого давления подаются из выпускного коллектора во впускной коллектор.

На режимах больших нагрузок при тех же частотах вращения двигателя работает внешний контур рециркуляции газов (фигура 3). Двухпозиционные заслонки 17, 21 полностью открыты, а двухпозиционные заслонки 13, 15 полностью закрыты. Позиционируемая заслонка 11 и заслонка 20 усиления рециркуляционного перепада находятся в одном из позиционируемых положений. Заслонка 4 либо полностью открыта, либо находится в одном из позиционируемых положений. При этом отработавшие газы низкого давления подаются с выхода 19 турбины 8 турбокомпрессора 9 на вход 18 компрессора 1. Данный тип рециркуляции используется также на режиме разгона двигателя.

На режимах средних нагрузок при всех частотах вращения двигателя, а также на режимах больших и малых нагрузок при высокой частоте вращения двигателя работает смешанный контур рециркуляции (фигура 4). Двухпозиционные заслонки 13, 17 полностью открыты, при этом двухпозиционные заслонки 15, 21 полностью закрыты. Заслонки 4, 11 находятся в одном из позиционируемых положений. Заслонка 20 либо полностью открыта, либо может находиться в одном из позиционируемых положений. При этом выпускные газы высокого давления подаются из выпускного коллектора через позиционируемую заслонку 11 и двухпозиционную заслонку 17, установленные в рециркуляционном канале 10, на вход 18 компрессора 1.

Позиционирование всех заслонок отслеживают по сигналам с датчиков положения электропневматических приводов 23, 25 и осуществляют электронным блоком 24 управления 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.

Таким образом, снабдив двигатель внутреннего сгорания двухпозиционной заслонкой, расположенной в рециркуляционном канале перед позиционируемой заслонкой, двухпозиционной заслонкой, расположенной на участке рециркуляционного канала между упомянутой позиционируемой заслонкой и впускным клапаном, двухпозиционной заслонкой, расположенной на участке рециркуляционного канала между упомянутой позиционируемой заслонкой и входом в компрессор, дополнительной позиционируемой заслонкой, расположенной в выпускном трубопроводе после турбины, двухпозиционной заслонкой для сообщения участка выпускного трубопровода, расположенного между турбиной и дополнительной позиционируемой заслонкой, с участком рециркуляционного канала, расположенным между упомянутой позиционируемой заслонкой и расположенной перед ней двухпозиционной заслонкой, обеспечено совмещение участков контуров рециркуляции и прохождение рециркулирующих газов через общий для всех контуров рециркуляции теплообменник охлаждения рециркулирующих газов.

В результате такого усовершенствования повышается эффективность работы двигателя внутреннего сгорания, его компактность, сокращаются выбросы оксидов азота в атмосферу и улучшается топливная экономичность двигателя.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, в которых применяется рециркуляция отработавших газов. Двигатель внутреннего сгорания содержит турбокомпрессор (9), впускной трубопровод (2) для прохода воздуха от компрессора (1) турбокомпрессора к впускному клапану (5), выпускной трубопровод (7) для прохода выпускных газов от выпускного клапана (6) к турбине (8) турбокомпрессора (9) и рециркуляционный канал (10), содержащий позиционируемую заслонку (11) и теплообменник (12) охлаждения рециркулирующих газов. В рециркуляционном канале (10) перед позиционируемой заслонкой (11) дополнительно установлена двухпозиционная заслонка (13). На участке (14) рециркуляционного канала между позиционируемой заслонкой (11) и впускным клапаном (5) расположена двухпозиционная заслонка (15). На участке (16) рециркуляционного канала между позиционируемой заслонкой (11) и входом (18) в компрессор (1) расположена двухпозиционная заслонка (17). В выпускном трубопроводе (7) после турбины (8) установлена дополнительная позиционируемая заслонка (20). Для сообщения участка выпускного трубопровода, расположенного между турбиной (8) и дополнительной позиционируемой заслонкой (20), с участком рециркуляционного канала, расположенным между позиционируемой заслонкой (11) и двухпозиционной заслонкой 13, двигатель содержит двухпозиционную заслонку (21). Технический результат заключается в улучшении компактности двигателя и в сокращение выбросов оксидов азота. 4 ил.

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий турбокомпрессор, впускной трубопровод для прохода воздуха от компрессора турбокомпрессора к впускному клапану, выпускной трубопровод для прохода выпускных газов от выпускного клапана к турбине турбокомпрессора, рециркуляционный канал, содержащий позиционируемую заслонку и теплообменник охлаждения рециркулирующих газов, отличающийся тем, что он содержит двухпозиционную заслонку, расположенную в рециркуляционном канале перед позиционируемой заслонкой, двухпозиционную заслонку, расположенную на участке рециркуляционного канала между упомянутой позиционируемой заслонкой и впускным клапаном, двухпозиционную заслонку, расположенную на участке рециркуляционного канала между упомянутой позиционируемой заслонкой и входом в компрессор, дополнительную позиционируемую заслонку, расположенную в выпускном трубопроводе после турбины, двухпозиционную заслонку для сообщения участка выпускного трубопровода, расположенного между турбиной и дополнительной позиционируемой заслонкой, с участком рециркуляционного канала, расположенным между упомянутой позиционируемой заслонкой и расположенной перед ней двухпозиционной заслонкой.