Способ повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания при его работе на частичных нагрузочных режимах Российский патент 2025 года по МПК F02M31/04 F02D9/02 

Изобретение относится к области регулирования двигателей внутреннего сгорания (F02D 22) и предлагается к использованию для повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания при его работе в условиях частичной нагрузки.

Известно, что снижение мощности двигателя внутреннего сгорания сопровождается уменьшением его эффективного КПД. Наиболее значимыми причинами, определяющими данное явление, выступают изменяющиеся процессы сгорания из-за изменения как материальных, так и энергетических параметров горючей смеси, из-за чего, в большинстве случаев, процессы сгорания топлива растягиваются по времени, приводя к совершению рабочим телом меньшей удельной работы.

Для решения данной проблемы разработано множество способов управления и регулирования двигателя внутреннего сгорания, закрепленных как российским, так и международным патентными правами. Среди них можно выделить несколько близких к предлагаемому способу направлений, определяемых объектом, на которое оказывается влияние.

Так, например, известно несколько способов, использующих управление временами открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов двигателя с целью изменения его наполняемости свежим зарядом, что преследует цель поддержания наиболее оптимального с точки зрения эффективности работы коэффициента избытка воздуха: RU 2665763 C1 «Двигатель внутреннего сгорания и способ управления им», RU 2017118515 A «Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с укороченным процессом впуска», RU 2119077 C1 «Способ регулирования мощности многотопливного двигателя внутреннего сгорания методом изменения фаз газораспределения и рабочего объема цилиндров и многотопливный двигатель внутреннего сгорания», RU 2051286 C1 «Устройство для управления клапаном газораспределения двигателя внутреннего сгорания». Недостатками данных способов является то, что управление степенью наполняемости цилиндра осуществляется без корректировки энергетических (в первую очередь температуры) параметров рабочего тепла, как следствие, не осуществляется контроль за протеканием процессов сгорания топлива.

В число способов управления наполняемостью цилиндров свежим зарядом также можно отнести способы, связанные с регулированием работы устройств осуществления наддува, к которым относятся таковые, упоминаемые в RU 2698374 C1 «Устройство наддува воздухом двигателя внутреннего сгорания», RU 2623598 C1 «Устройство управления двигателем внутреннего сгорания», RU 2576694 C1 «Способ управления рециркуляцией выхлопных газов в двигателе внутреннего сгорания с системой пневматического привода трехклапанного газораспределителя с зарядкой пневмоаккумулятора системы газом из компенсационного пневмоаккумулятора», RU 2517952 C1 «Турбокомпрессор с регулируемым наддувом», RU 2445477 C2 «Двигатель внутреннего сгорания», RU 2231660 C1 «Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания», US 2022074374 (A1) «INTERCOOLER ASSEMBLY)), US 2022112860 (A1) «CYLINDER HEAD WITH INTEGRATED TURBOCHARGER» и другие. Недостатки данных способов идентичны описанным для предыдущих.

Наиболее близким к предлагаемому решению следует выделить RU 2696181 С2 «Способ (варианты) и система ускорения прогрева двигателя», в котором предлагается использование двойных стенок выхлопной системы для подогрева впускного воздуха. К недостаткам данного решения следует отнести техническую сложность реализации.

Предлагаемый способ отличается от вышеупомянутых тем, что подогрев воздуха осуществляется за счет устанавливаемого по ходу впускного тракта двигателя несмешивающего подогревателя с греющей средой в виде выхлопных газов, перепускаемых специальным устройством, установленным по ходу выпускного тракта после турбины, а снижение массового расхода воздуха осуществляется за счет перепуска специальным устройством части выхлопных газов в выхлопную систему, минуя турбинную часть турбокомпрессора.

Техническим результатом заявляемого решения является увеличение простоты технической реализации управления материальными и энергетическими параметрами впускного воздуха двигателя внутреннего сгорания для повышения эффективности его работы на режимах частичных нагрузок.

Суть способа заключается в следующем. При переходе двигателя внутреннего сгорания на работу в условиях долей от номинальной мощности осуществляется принудительное уменьшение массового расхода воздуха за счет перепуска части выхлопных газов в выхлопную систему, минуя турбинную часть турбокомпрессора, приводящее к поддержанию коэффициента избытка воздуха на заданных параметрах, определяемых критерием максимальной энергоэффективности. Снижение же температуры поступающего в цилиндр воздуха, которое приводит к меньшим мгновенным температурам по ходу всего такта сжатия, что сильно сказывается на характере протекания как предпламенных процессов, так и самих процессов сгорания впоследствии, компенсируется принудительным нагревом (в том числе до его до температур, более высоких, чем на номинальном режиме) в несмешивающем теплообменнике с греющей средой в виде выхлопных газов, перепускаемых с выпускного тракта после турбинной части турбокомпрессора, что благоприятствует эффективному процессу сгорания топлива. Верхние границы подогрева воздуха и снижения массового расхода определяются с учетом ограничений, накладываемых конструктивными особенностями конкретного двигателя и экологическими требованиями к нему применяемыми.

В соответствии с предложенным способом регулировании в качестве реализации может использоваться схема, представленная на фиг. 1, где 1 - двигатель внутреннего сгорания, 2 - не смешивающий подогреватель (теплообменник), 3 - перепускное устройство (трехходовое), 4 - турбина турбокомпрессора, 5 - компрессор турбокомпрессора, 6 - перепускное устройство (трехходовое). В данной схеме, воздух, поступающий после сжатия в компрессоре 5 проходит через несмешивающий подогреватель 2, где подогревается за счет тепла выхлопных газов, которые направляются на него за счет перепускного устройства 6, установленного после турбинной части 4 турбокомпрессора. Подогретый воздух поступает в двигатель внутреннего сгорания 1. Выхлопных газы двигателя после выхода из него поступают на перепускной клапан 3, где часть выхлопных газов направляется на вход турбины 4, а часть - в выхлопную систему двигателя. Таким образом, мощность турбины турбокомпрессора, а, вследствие механической связи ее с компрессорным устройством, и его мощность тоже, регулируется долей перепуска выхлопных газов перепускным устройством 3 на турбину, а регулирование степени подогрева входящего воздуха осуществляется изменением доли перепуска выхлопных газов после турбины на несмешивающий подогреватель 2 перепускным устройством 6.

Также следует учитывать, что вне зависимости от использующейся схемы, осуществляющей регулирование по предлагаемому способу управления, конкретные конструкции отдельных ее элементов (перепускных устройств, подогревателей и т.д.), включая вспомогательное оборудование (приводы, устройства энергоснабжения и т.д.), а также варианты системы управления ими являются частными решениями, попадающие под предлагаемый способ вне зависимости от варианта исполнения.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ повышения эффективности двигателя (1) внутреннего сгорания, работающего по циклу Дизеля на режимах частичных нагрузок, заключается в принудительном снижении массового расхода воздуха и осуществлении подогрева поступающего в цилиндр воздуха. Подогрев воздуха осуществляется за счет устанавливаемого подогревателя в виде несмешивающего теплообменника (2), с греющей средой в виде выхлопных газов двигателя. Снижение массового расхода воздуха осуществляют путем перепуска части выхлопных газов в выхлопную систему мимо турбинной части (4) турбокомпрессора. Перепуск выхлопных газов в подогреватель (2) осуществляется перепускным устройством (6), установленным по ходу тракта выхлопных газов после турбины. Технический результат заключается в повышении эффективности его работы на режимах частичных нагрузок. 1 ил.

Способ повышения эффективности двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Дизеля на режимах частичных нагрузок, заключающийся в принудительном снижении массового расхода воздуха и осуществлении подогрева поступающего в цилиндр воздуха, отличающийся тем, что подогрев воздуха осуществляется за счет устанавливаемого подогревателя в виде несмешивающего теплообменника, с греющей средой в виде выхлопных газов двигателя, снижение массового расхода воздуха осуществляют путем перепуска части выхлопных газов в выхлопную систему мимо турбинной части турбокомпрессора, а перепуск выхлопных газов в подогреватель осуществляется перепускным устройством, установленным по ходу тракта выхлопных газов после турбины.