Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для повышения эффективности работы двигателей внутреннего сгорания на переходных режимах работы. Изобретение позволяет повысить эффективность работы двигателя внутреннего сгорания на переходных режимах, улучшить динамические характеристики турбокомпрессора. В способе работы двигателя подача на впуск двигателя дополнительного рабочего тела происходит во взаимосвязи с повышением давления воздуха на впуске двигателя в переходных режимах, подкручивая ротор турбокомпрессора электрической машиной, питающейся от аккумуляторной батареи через преобразователь частоты. Операция приготовления дополнительного рабочего тела происходит в электрофакельном устройстве. На переходных режимах пуска и поддержания двигателя в “горячем резерве” перед подачей топлива и сжатого воздуха в цилиндры двигатель прогревают газовой смесью, состоящей из сжатого атмосферного воздуха и продуктов сгорания топлива на впуске двигателя. Выработка дополнительной электроэнергии производится электрической машиной как на режимах прогрева (без запуска двигателя) для подзаряда аккумуляторных батарей, так и при работе двигателя при подаче электроэнергии потребителю. Двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит электрофакельное устройство, смеси клапан подачи и насос подачи топлива, рекуперативный газоводяной теплообменник, преобразователь частоты и напряжения, электрическую машину, датчик температуры. Первый вход электрофакельного устройства связан с выходом компрессора, второй вход через клапан подачи кислорода соединен с емкостью с запасом кислорода, третий вход через клапан подачи топлива и насос подачи топлива связан с топливным баком, а выход соединен одновременно с впуском двигателя и через клапан подачи газовой смеси и рекуперативный газоводяной теплообменник с выпуском двигателя. Первый выход аккумуляторной батареи соединен через преобразователь частоты и напряжения с электрической машиной, кинематически связанной с турбокомпрессором, второй выход соединен с электрозапальным устройством, третий выход подключен к устройству управления, один управляющий вход которого соединен с датчиком максимальной подачи топлива, второй управляющий вход связан с датчиком температуры, установленном на двигателе. Управляющие выходы соединены соответственно с преобразователем частоты и напряжения, аккумуляторной батареей, насосом подачи топлива, клапаном подачи топлива, кислорода и газовой смеси. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для повышения эффективности работы двигателей внутреннего сгорания на переходных режимах работы.

Известны способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания [Патент РФ №2006610 С1 от 23.12.91, кл. F 02 В 47/10], предусматривающий подачу в цилиндры двигателя на переходных режимах работы дополнительного кислорода с одновременной рециркуляцией отработавших газов с выпуска на всасывание (после турбокомпрессора).

Двигатель внутреннего сгорания, реализующий данный способ работы, включает в себя двигатель с системами и механизмами, обеспечивающими процесс сгорания топлива, блочный плунжерный ТНВД, установленный на остове двигателя и снабженный рейкой, микропереключатель, размещенный на ТНВД и связанный с рейкой для выбора режима ТНВД, баллон с запасом газообразного кислорода, компрессор, турбину компрессора, газовый аккумулятор, клапан подачи отработавших газов с электроприводом, клапан подачи кислорода с электроприводом, клапан-отсекатель выпуска отработавших газов с электроприводом, самодействующий предохранительный клапан предельного давления отработавших газов, пульт управления, аккумуляторную батарею, блок временных задержек подачи кислорода, блок временных задержек прекращения выпуска отработавших газов, блок временных задержек прекращения выпуска, впускной трубопровод и выпускной трубопровод.

Недостатки данного способа работы и двигателя внутреннего сгорания:

1. Отсутствует предпусковой подогрев. Не предусмотрен режим работы в готовности к немедленному пуску и приему нагрузки.

2. При переходных процессах, вызванных сбросом-набросом нагрузки, циклами разгон-торможение дополнительные воздействия предусматриваются только на двигатель, а динамические характеристики турбокомпрессора не улучшаются, тем самым не обеспечивается полное сгорание топлива при таких режимах работы.

3. Наличие на линии рекуперации отработавших газов ресивера достаточно большого объема значительно снижает взрывопожаробезопасность установки, поскольку велика вероятность самовоспламенения несгоревшего топлива в ресивере.

4. Отсутствие возможности электроснабжения потребителей малой мощности на силовой электрогенератор.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности работы двигателя внутреннего сгорания на переходных режимах работы (запуск, разгон, наброс нагрузки), возможности дополнительного электроснабжения потребителей в процессе работы двигателя, улучшение динамических характеристик турбокомпрессора.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе работы двигателя внутреннего сгорания, заключающемся во впуске сжатого воздуха, его сжатия, впрыска и сгорания топлива, расширения продуктов сгорания, выпуска отработавших газов и подачи в переходных режимах дополнительного рабочего тела по управляющему сигналу, добавляются операции повышения давления на впуске двигателя в переходных режимах, подкручивая ротор турбокомпрессора, приготовления дополнительного рабочего тела в электрофакельном устройстве и его подачи на впуск двигателя, причем на переходных режимах пуска и поддержания двигателя в “горячем резерве” перед подачей топлива и сжатого воздуха в цилиндры двигатель прогревают газовой смесью, состоящей из сжатого атмосферного воздуха и продуктов сгорания топлива в электрофакельном устройстве на впуске двигателя, а дополнительное электроснабжение осуществляется от преобразователя частоты и напряжения, подключенного к аккумуляторной батарее и к электрической машине.

Для реализации указанного способа работы предлагается двигатель внутреннего сгорания, состоящий из двигателя внутреннего сгорания, содержащего, по меньшей мере, один цилиндр с размещенным в нем поршнем, кинематически связанным с валом, турбокомпрессор, впускной трубопровод, выпускной трубопровод, магистраль подачи углеводородного топлива в цилиндры, снабженную топливным насосом высокого давления, оборудованным датчиком максимальной подачи топлива, емкостью с запасом кислорода, клапан подачи кислорода, аккумуляторную батарею, устройство (пульт) управления, отличающийся тем, что он дополнительно содержит электрофакельное устройство, снабженное электрозапальным устройством поджига топливовоздушной смеси, электрическую машину, статический преобразователь электроэнергии, датчик температуры, газоводяной теплообменник, клапан и насос подачи топлива. Причем впускной трубопровод, соединенный с направляющим аппаратом турбокомпрессора, выпускной трубопровод связан через турбину с выпуском двигателя, первый вход электрофакельного устройства связан с выходом компрессора, второй вход через клапан подачи кислорода соединен с емкостью с запасом кислорода, третий вход через клапан подачи топлива и насос подачи топлива связан с топливным баком, а выход соединен одновременно с впуском двигателя и через клапан подачи газовой смеси и рекуперативный газоводяной теплообменник с выпуском двигателя, первый выход аккумуляторной батареи соединен через преобразователь частоты и напряжения с электрической машиной, кинематически связанной с турбокомпрессором, второй выход соединен с электрозапальным устройством, третий выход подключен к устройству управления, один управляющий вход которого соединен с датчиком максимальной подачи топлива, второй управляющий вход связан с датчиком температуры, установленным на двигателе, а управляющие выходы соединены соответственно с преобразователем частоты и напряжения, аккумуляторной батареей, насосом подачи топлива, клапаном подачи топлива, кислорода и газовой смеси. Такая конструкция двигателя обеспечивает: улучшение качества переходных режимов работы двигателя, сопровождающихся нарушением процесса сгорания и выходом рейки ТНВД на упор максимальной подачи топлива (запуск, разгон, наброс нагрузки) за счет того, что помимо обогащения рабочей смеси кислородом одновременно увеличивается ее количество и повышается температура без введения режима рециркуляции отработавших газов; повышение надежности обеспечения пускового режима работы двигателя за счет его разогрева высокотемпературной газовой смесью, а также за счет возможности во время предпускового разогрева одновременно выполнить подзарядку стартерной аккумуляторной батареи; повышение эффективности и расширение области использования двигателя за счет возможности более быстрого и качественного пуска из режима функционирования “горячий резерв”; возможности дополнительного электроснабжения потребителей в процессе работы двигателя; улучшение динамических характеристик турбокомпрессора за счет подкрутки его вала в переходных режимах электрической машиной, потребляющей энергию от аккумуляторной батареи; повышение надежности и безопасности работы двигателя за счет упрощения алгоритма управления (исключения временных задержек), исключения режима рециркуляции отработавших газов, сокращения количества быстродействующих запорных клапанов.

Таким образом, заявляемое техническое устройство позволяет реализовать заявляемый способ, при этом осуществляются: подогрев двигателя на переходных режимах пуска и “горячего резерва” без установки специального автономного подогревателя; выработка электроэнергии как на режимах прогрева (без запуска двигателя) для подзаряда аккумуляторных батарей, так и при работе двигателя при подаче электроэнергии потребителю; улучшение динамических характеристик турбокомпрессора путем подкрутки его вала при набросах нагрузки от электрической машины за счет ранее аккумулированной электроэнергии.

Из изложенного следует, что при реализации заявляемого способа и устройства для его осуществления достигается технический результат, заключающийся в улучшении качества переходных режимов работы двигателя (запуск, разгон, наброс нагрузки), возможности дополнительного электроснабжения потребителей в процессе работы двигателя, улучшении динамических характеристик турбокомпрессора.

Заявляемая группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку заявка относится к объектам изобретения одного вида, одинакового направления, обеспечивающих получение одного и того же технического результата принципиально одним и тем же путем.

На чертеже представлена принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания, реализующего данный способ работы. Схема включает двигатель 1 с системами и механизмами, обеспечивающими процесс сгорания топлива, блочный плунжерный топливный насос высокого давления ТНВД 2, установленный на остове двигателя 1 и снабженный рейкой 3, микропереключатель 4, размещенный на ТНВД 2, являющийся датчиком предельного положения рейки, баллон с запасом кислорода 5, компрессор 6, турбину 7 турбокомпрессора, рекуперативный газоводяной теплообменник 8, установленный совместно с клапаном с электроприводом подачи газовой смеси 9 на трубопроводе, соединяющим впуск двигателя с его выпуском, клапан 10 с электроприводом подачи кислорода, клапан 11 с электроприводом подачи топлива, насос подачи топлива 12 с электроприводом, управляющее устройство 13, накопитель электроэнергии (аккумуляторная батарея) 14, бак с запасом топлива 15, электрическую машину 16, электрофакельное устройство 17, снабженное электрозапальным устройством 18 для воспламенения смеси топлива и воздуха, датчик температуры двигателя 19, статический преобразователь частоты и напряжения электрического тока 20.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. По команде на запуск двигателя управляющее устройство 13 подает сигнал на открытие клапанов 9 и 11 (клапан 10 при этом закрыт), импульсное (на период воспламенения смеси) включение запального устройства 18, насоса 12 и электрической машины 16 (в двигательном режиме). После выхода электрофакельного устройства 17 на нормальный режим горения и набором турбиной 7 номинальной, для пускового режима, частоты вращения электрическая машина 16 может быть переведена в генераторный режим с целью зарядки аккумуляторной батареи 14. При этом топливовоздушная смесь воспламеняется и сгорает в электрофакельном устройстве 17. Высокотемпературные отработанные газы (ОГ) после устройства 17 поступают через клапан 9 в рекуперативный газовый теплообменник 8 и далее через турбину 7 выводятся в атмосферу. При этом часть тепловой энергии от ОГ передается через теплообменник 8 в систему охлаждения двигателя и используется для его прогрева, а часть кинетической энергии ОГ срабатывается на турбине 7. После прогрева двигателя 1 (за счет использования энергии высокотемпературной газовой смеси) и достижения требуемой для надежного запуска и включения под нагрузку температуры по сигналу от датчика температуры 19 устройство управления 13 формирует сигнал на запуск двигателя 1 (включает электропитание от аккумуляторной батареи 14 к стартеру двигателя 1), одновременно по сигналу от управляющего устройства 13 открывается клапан 10 подачи кислорода на впуск двигателя. Предварительный прогрев и подача на впуск двигателя высокотемпературной обогащенной кислородом газовой смеси способствуют его надежному быстрому пуску и включению под нагрузку.

В случае, если требуется долгое время поддерживать двигатель в постоянной готовности к пуску и приему нагрузки (режим “горячего резерва”), то после описанного выше периода прогрева двигателя до заданной температуры (если нет команды на запуск и включение двигателя 1 под нагрузку), по сигналу от датчика 19 управляющее устройство 13 формирует сигналы на закрытие клапанов 9 и 11, отключение насоса 12 и электрической машины 16. В процессе дальнейшего естественного охлаждения двигателя при достижении его минимальной допустимой температуры по сигналу от аналогового датчика температуры 19 происходит включение от устройства 13 элементов 9, 11, 12, 16 и возобновляется период прогрева. Таким образом, периоды принудительного прогрева и естественного охлаждения двигателя 1 чередуются, обеспечивая постоянное нахождение его в режиме готовности к пуску и приему нагрузки. При этом сам двигатель на самопрогрев не запускается и специальные дополнительные устройства для его прогрева не используются.

После запуска двигателя, выхода его на номинальную частоту вращения и включения под нагрузку электрическая машина 16 переводится в генераторный режим. Электроэнергия от генератора 16 используется для подзаряда аккумуляторной батареи 14 через преобразователь 20. Одновременно стабилизированное напряжение переменного тока может быть подано от электрической машины 16 через преобразователь 20 на собственные нужды агрегата или к отдельному потребителю электроэнергии.

В процессе функционирования двигателя 1 с переменной нагрузкой возможны значительные колебания частоты вращения, что крайне не желательно, особенно при работе двигателя на электрогенератор (в составе дизель-генераторной установки). С целью исключения значительных колебаний частоты вращения двигатель оборудован баллоном с запасом кислорода 5. Импульсное обогащение рабочей смеси, поступающей на впуск двигателя, кислородом производится таким же образом, как и в прототипе. Например, при набросах нагрузки, когда вследствие недостатка кислорода воздуха (вызванном инерционностью компрессора) рейка 3 выходит на упор максимальной подачи топлива, по сигналу от датчика 4 управляющее устройство 13 формирует воздействие на импульсное открытие клапана 10. При этом происходит импульсное обогащение рабочей смеси кислородом из баллона 5, и частота вращения двигателя за счет более эффективного сгорания топлива восстанавливается.

В заявляемом техническом решении увеличение количества рабочей смеси при набросе нагрузки увеличивается путем сжигания дополнительного топлива в электрофакельном устройстве 17. Импульсная подача порции топлива из бака 15 производится по сигналу от датчика 4 путем формирования управляющих импульсов устройством 13 на включение насоса 12, запального устройства 18 и открытие клапана 11. Одновременная подача в электрофакельное устройство дополнительного кислорода и топлива позволяет за счет сжигания последнего значительно увеличить количество рабочего тела (давление на впуске) и сократить время переходного процесса. При этом дополнительного оборудования на двигатель не устанавливается, а используются элементы 11, 12, 15, предназначенные для прогрева двигателя. Увеличению количества рабочего тела (давление на впуске) способствует компрессор 6, играющий роль затвора, разобщающего впуск двигателя с атмосферой.

Кроме описанных выше мероприятий по увеличению рабочего тела на впуске двигателя в заявленном техническом решении предусматривается также при набросах нагрузки подкрутка ротора турбокомпрессора электрической машиной 16. По сигналу от датчика 4 управляющее устройство 13 формирует воздействие на преобразователь частоты 20, который переключается в режим инвертора и подает электропитание от аккумуляторной батареи 14 на электрическую машину 16, Работая в двигательном режиме, электрическая машина подкручивает ротор турбокомпрессора вплоть до момента ухода рейки 3 с упора максимальной подачи топлива.

Помимо режимов сброса-наброса нагрузки на двигатель импульсное обогащение рабочей смеси кислородом, подкрутка ротора турбокомпрессора и импульсное увеличение рабочей смеси путем сжигания топлива в электрофакельном устройстве могут производиться и на других режимах работы двигателя, сопровождающихся нарушениями внутрицилиндровых процессов смесеобразования и сгорания топлива - в циклах разгон-торможение, при перегрузках, работе при аномальных условиях окружающей среды (в туннелях, карьерах и т.п.).

Процесс приготовления рабочей смеси проводится согласно заявленному способу в следующей последовательности:

1. По сигналу на запуск двигателя или на включение в работу из режима “горячий резерв” управляющее устройство 13 посредством подачи сигналов на открытие клапанов 9 и 11, включение электрической машины 16 в двигательном режиме и включение запального устройства 18 инициирует процесс сжигания топлива в электрофакельном устройстве 17 и подачу высокотемпературной газовой смеси помимо двигателя в теплообменник 8. Приготовление высокотемпературной газовой смеси прекращается по сигналу о достижении максимальной температуры прогрева от датчика температуры 19. В режиме “горячего резерва” приготовление высокотемпературной газовой смеси и подача ее в теплообменник 8 возобновляются при достижении минимально допустимой температуры по сигналу от датчика температуры 19.

2. На всех переходных режимах работы двигателя, сопровождающихся выходом рейки ТНВД на упор максимальной подачи топлива (пусковой режим, разгон, наброс нагрузки), по сигналу от датчика предельного положения рейки ТНВД 4 управляющее устройство формирует импульсы на открытие клапанов 9 и 10, включение устройства поджига 18 и электрической машины 16 в двигательный режим, таким образом инициируя приготовление трехкомпонентной рабочей смеси, состоящей из атмосферного воздуха, кислорода (из емкости 5) и продуктов сгорания топлива (из емкости 15) в электрофакельном устройстве 17. Приготовление трехкомпонентной рабочей смеси прекращают по сигналу от датчика 4 после ухода рейки ТНВД с упора максимальной подачи топлива. На других эксплутационных режимах, не сопровождающихся выходом рейки на упор максимальной подачи топлива, рабочая смесь готовится путем сжатия атмосферного воздуха в компрессоре.

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска сжатого воздуха, его сжатия, впрыска и сгорания топлива, расширения продуктов сгорания, выпуска отработавших газов и подачи в переходных режимах дополнительного рабочего тела по управляющему сигналу, причем последний формируют по моменту достижения максимальной подачи топлива на заданном режиме, отличающийся тем, что подача на впуск двигателя дополнительного рабочего тела происходит во взаимосвязи с повышением давления воздуха на впуске двигателя в переходных режимах, подкручивая ротор турбокомпрессора электрической машиной, питающейся от аккумуляторной батареи через преобразователь частоты, причем операция приготовления дополнительного рабочего тела происходит в электрофакельном устройстве, снабженном электрозапальным устройством поджига топливовоздушной смеси; на переходных режимах пуска и поддержания двигателя в “горячем резерве” перед подачей топлива и сжатого воздуха в цилиндры двигатель прогревают газовой смесью, состоящей из сжатого атмосферного воздуха и продуктов сгорания топлива на впуске двигателя, а выработка дополнительной электроэнергии производится электрической машиной как на режимах прогрева (без запуска двигателя) для подзаряда аккумуляторных батарей, так и при работе двигателя при подаче электроэнергии потребителю.

2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр с размещенным в нем поршнем, кинематически связанным с валом, турбокомпрессор, впускной трубопровод, соединенный с направляющим аппаратом турбокомпрессора, выпускной трубопровод, связанный через турбину с выпуском двигателя, магистраль подачи углеводородного топлива в цилиндры, снабженную топливным насосом высокого давления, оборудованным датчиком максимальной подачи топлива, емкостью с запасом кислорода, клапан подачи кислорода, аккумуляторную батарею, устройство (пульт) управления, отличающийся тем, что он дополнительно содержит электрофакельное устройство, снабженное электрозапальным устройством поджига топливовоздушной смеси, клапан подачи и насос подачи топлива, рекуперативный газоводяной теплообменник, преобразователь частоты и напряжения, электрическую машину, датчик температуры, причем первый вход электрофакельного устройства, снабженного электрозапальным устройством поджига топливовоздушной смеси, связан с выходом компрессора, второй вход через клапан подачи кислорода соединен с емкостью с запасом кислорода, третий вход через клапан подачи топлива и насос подачи топлива связан с топливным баком, а выход соединен одновременно с впуском двигателя и через клапан подачи газовой смеси и рекуперативный газоводяной теплообменник с выпуском двигателя, первый выход аккумуляторной батареи соединен через преобразователь частоты и напряжения с электрической машиной, кинематически связанной с турбокомпрессором, второй выход соединен с электрозапальным устройством, третий выход подключен к устройству управления, один управляющий вход которого соединен с датчиком максимальной подачи топлива, второй управляющий вход связан с датчиком температуры, установленным на двигателе, а управляющие выходы соединены соответственно с преобразователем частоты и напряжения, аккумуляторной батареей, насосом подачи топлива, клапаном подачи топлива, кислорода и газовой смеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1