RU2006610C1

RU2006610C1 - Method of operation of internal combustion engine and internal combustion engine

Info

Publication number: RU2006610C1
Application number: SU915034410A
Authority: RU
Inventors: И.О. Прутчиков; В.В. Дыбок; В.А. Путятинский; В.Н. Денисов; В.С. Сутормин; С.В. Пахлов; С.О. Семенова
Original assignee: Прутчиков Игорь Олегович
Priority date: 1991-12-23
Filing date: 1991-12-23
Publication date: 1994-01-30

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: engine additionally has valve for supplying exhaust gases whose outlet is coupled with inlet of a compressor and inlet with outlet of a turbine trough a gas accumulator, valve for supplying air set in inlet pipe line, valve for discharging exhaust gases which is set in outlet pipe line, and self-operating safety valve of extreme pressure set for maximum supply of high pressure fuel pump at a given regime and connected with an accumulator and input of the first time delay block. The first input of the block is simultaneously connected to the valve for supplying additional fluid, to the valve for discharging exhaust gases through the third time delay block, and to the valve for supplying air through the fourth time delay block. The second output of the first block is connected to the valve for supplying exhaust gases trough the second time delay block. Controlled inputs of the time delay blocks are connected to a control desk. The valve for supplying additional fluid is coupled with intake of the engine. A source of additional fluid is made of a vessel filled with compressed oxygen. EFFECT: enhanced efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для повышения эффективности работы двигателей внутреннего сгорания в переходных режимах и при аномальном состоянии окружающей среды. The invention relates to engine building and can be used to increase the efficiency of internal combustion engines in transient conditions and with an abnormal state of the environment.

Известен способ улучшения работы двигателя внутреннего сгорания в переходных режимах [1] , основанный на подаче сжатого воздуха из баллонов во всасывающий тракт установки при набросе нагрузки. There is a method of improving the operation of an internal combustion engine in transient conditions [1], based on the supply of compressed air from cylinders to the suction path of the installation during a load surge.

Недостатками данного способа являются большой расход сжатого воздуха, низкие показатели качества переходных режимов наброса нагрузки, обусловленные инерционностью ротора трубокомпрессора. The disadvantages of this method are the high consumption of compressed air, low quality indicators of transient modes of load surge due to the inertia of the rotor of the pipe compressor.

Известен способ улучшения работы двигателя внутреннего сгорания в переходных режимах [2] , предусматривающий подачу отработавших газов из газового аккумулятора, связанного с выпускной системой дизеля, на впуск с целью повышения давления рабочей смеси при переходных режимах наброса нагрузки. There is a method of improving the operation of an internal combustion engine in transient conditions [2], which provides for the supply of exhaust gas from a gas accumulator associated with the exhaust system of a diesel engine to the inlet in order to increase the pressure of the working mixture during transient conditions of load overload.

Недостатками данного способа являются малое содержание кислорода в рабочей смеси, поступающей на горение, а также низкое качество переходных процессов ввиду большой инерционности канала подачи отработавших газов на впуск двигателя. The disadvantages of this method are the low oxygen content in the working mixture supplied to combustion, as well as the low quality of transients due to the large inertia of the exhaust gas supply channel to the engine inlet.

Известен также способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания [3] . Способ предусматривает подачу непосредственно в цилиндры двигателя дополнительного рабочего тела в виде газообразного водорода под давлением по управляющим сигналам о скорости нарастания мощности и величине расхода воздуха, причем при подаче водорода расход топлива уменьшают, воздействуя посредством исполнительного механизма на рейку топливного насоса высокого давления (ТНВД). There is also a known method of operation of an internal combustion engine and an internal combustion engine [3]. The method provides for supplying directly to the engine cylinders an additional working fluid in the form of gaseous hydrogen under pressure according to control signals about the power slew rate and air flow rate, and when hydrogen is supplied, fuel consumption is reduced by acting on the rail of a high pressure fuel pump (TNVD) by means of an actuator.

Впускной трубопровод двигателя, реализующего данный способ работы, соединен с компрессором, на направляющем аппарате которого установлено сопло, соединенное с баллоном запаса водорода через трубопровод, редуктор и запорно-регулирующий орган. Регулятор переходного процесса двигателя электрически связан с приводом запорно-регулирующего органа, регулятором ограничения подачи топлива, измерителем мощности двигателя и измерителем расхода воздуха. Второй регулятор ограничнеия подачи топлива электрически связан с исполнительным механизмом, , перемещающим рейку ТНВД в сторону уменьшения подачи углеводородного топлива. The inlet pipe of the engine that implements this method of operation is connected to a compressor, on the guide apparatus of which a nozzle is installed, connected to a hydrogen storage cylinder through a pipeline, a reducer, and a shutoff-regulating body. The engine transient regulator is electrically connected to the drive of the locking and regulating body, the fuel supply restriction regulator, the engine power meter and the air flow meter. The second fuel supply restriction regulator is electrically connected to the actuator, which moves the high pressure fuel pump rail in the direction of reducing the supply of hydrocarbon fuel.

Известен также способ работы двигателя внутреннего сгорания [7] , принятый за прототип, путем подачи сжатого в трубокомпрессоре воздуха в цилиндры, его сжатия, впрыска и сжигания топлива, преобразования энергии расширяющихся газов во вращательную энергию вала двигателя, подачи в цилиндры дополнительного рабочего тела по управляющему сигналу, который формируют определением момента выхода рейки топливного насоса высокого давления на упор максимальной подачи топлива. There is also a known method of operation of an internal combustion engine [7], adopted as a prototype, by supplying compressed air in a tube compressor to cylinders, compressing it, injecting and burning fuel, converting the energy of expanding gases into rotational energy of the engine shaft, and supplying an additional working fluid to the cylinders by the control the signal, which is formed by determining the moment when the rail of the high-pressure fuel pump reaches the stop of maximum fuel supply.

Недостатками данных способов работы и двигаттеля внутреннего сгорания являются большая сложность и вследствие этого малая надежность в работе, использование двух видов топлива, малая эффективность подачи водорода в цилиндры ввиду инерционности компрессора, малая надежность датчиков измерения мощности и расхода топлива, большой расход водорода при работе, невозможность использования в других (помимо изменения нагрузки) режимах работы двигателя, приводящих к нарушению процессов смесеобразования и сгорания в цилиндрах, например изменение состава и термодинамических параметров, атмосферного воздуха, повышение разрежения на всасывании и противодавления на выпуске, кратковременное полное отсутствие связи с атмосферой и т. д. The disadvantages of these methods of operation and internal combustion engine are the great complexity and, as a result, low reliability, two types of fuel, low efficiency of hydrogen supply to the cylinders due to inertia of the compressor, low reliability of power and fuel consumption sensors, high hydrogen consumption during operation, impossibility use in other (in addition to load changes) engine operating modes, leading to disruption of the processes of mixture formation and combustion in the cylinders, for example of the composition and thermodynamic parameters, atmospheric air, vacuum suction and increase in backpressure at the outlet, transient complete lack of communication with the atmosphere and t. d.

Целью изобретения является повышение надежности и эффективности работы двигателя внутреннего сгорания в переходных режимах и при анамальном состоянии атмосферного воздуха. The aim of the invention is to increase the reliability and efficiency of the internal combustion engine in transient conditions and with the anamalous state of atmospheric air.

Поставленная цель достигается тем, что двигатель дополнительно содержит клапан подачи отработавших газов, выход которого соединен с входом компрессора, а вход через газовый аккумулятор связан с выходом турбины, клапан подачи воздуха, установленный на впускном трубопроводе, клапан выпуска отработавших газов, размещенный на выпускном трубопроводе, самодействующий предохранительный клапан предельного давления, смонтированный на выпуске двигателя, микропереключатель, установленный для максимальной подачи топливного насоса высокого давления на заданном режиме и связанный с аккумуляторной батареей и с входом первого блока временных задержек, первый вход которого одновременно связан с клапаном подачи дополнительного рабочего тела, а через третий блок временных задержек - с клапаном выпуска отработавших газов и через четвертый блок временных задержек - с клапаном подачи воздуха, второй его выход через второй блок временных задержек соединен с клапаном подачи отработавших газов, причем управляемые входы блоков временных задержек связаны с пультом управления, а клапаны подачи дополнительного рабочего тела соединены с впуском двигателя, при этом источник дополнительного рабочего тела выполнен в виде баллона со сжатым кислородом. This goal is achieved in that the engine further comprises an exhaust gas supply valve, the outlet of which is connected to the compressor inlet, and the inlet through the gas accumulator is connected to the turbine outlet, an air supply valve mounted on the inlet pipe, an exhaust valve located on the exhaust pipe, self-acting pressure relief valve mounted at the engine outlet, microswitch installed to maximize fuel pump high yes phenomena in a given mode and connected with the battery and with the input of the first block of time delays, the first input of which is simultaneously connected to the valve for supplying an additional working fluid, and through the third block of time delays - with the exhaust valve and through the fourth block of time delays - with the valve air supply, its second outlet through the second block of time delays is connected to the valve for supplying exhaust gases, moreover, the controlled inputs of the blocks of time delays are connected to the control panel, and the valves odachi additional working fluid inlet connected to the engine, wherein the additional source of working fluid is formed as a cylinder of compressed oxygen.

Сущность предлагаемого способа работы двигателя состоит в совокупности следующих процессов:
впрыск топлива, его сжигание в цилиндрах, преобразование энергии расширяющихся газов во вращательную энергию вала двигателя;
приготовление рабочей газовой смеси, которое осуществляют путем импульсного регулируемого смешения атмосферного воздуха, кислорода и отработавших газов.The essence of the proposed method of engine operation is the combination of the following processes:
fuel injection, its combustion in cylinders, the conversion of expanding gas energy into rotational energy of the engine shaft;
preparation of a working gas mixture, which is carried out by means of pulsed controlled mixing of atmospheric air, oxygen and exhaust gases.

Процесс сгорания топлива в способе осуществляется так же, как и у прототипа. Процесс приготовления рабочей газовой смеси имеет существенные отличия. The process of fuel combustion in the method is the same as that of the prototype. The process of preparing a working gas mixture has significant differences.

При нормальном состоянии окружающей среды и отсутствии внешних воздествий по нагрузке рабочую смесь готовят путем забора воздуха из атмосферы, сжатия его в компрессоре и подачи в цилиндры двигателя. При нарушении процесса сгорания, вызванном внешним воздествием по нагрузке или составу (термодинамическим параметрам) атмосферного воздуха, рабочую смесь начинают готовить путем регулируемого смешения атмосферного воздуха, отработавших газов и кислорода по сигналу выхода рейки ТНВД на максимальную подачу топлива на заданном режиме. Известно [4] , что в двигателях со свободным газотурбинным наддувом сколько-нибудь существенный наброс нагрузки, при котором можно говорить о необходимости дополнительных мер повышения качества работы, практически всегда сопровождается выходом рейки ТНВД на максимальную подачу топлива на заданном режиме. Время выхода рейки на максимальную подачу заданного режима даже в одноимпульсных регуляторах частоты вращения составляет десятые доли секунды. Качественно изменить за это время состав рабочей смеси, а следовательно, и предотвратить выход рейки на максимальную подачу заданного режима не представляется в рассматрвиаемых условиях возможным, что подтверждает более высокую надежность и эффективность определения начала переходного процесса по сигналу выхода рейки ТНВД на максимальную подачу топлива для заданного режима по сравннеию, например, с используемым в прототипе сложными датчиками мощности и расхода воздуха. Более надежное определение начала переходного процесса предотвращает ложное срабатывание и чрезмерный расход дополнительного рабочего тела из емкости с его запасом. Under normal environmental conditions and the absence of external impacts on the load, the working mixture is prepared by taking air from the atmosphere, compressing it in a compressor and feeding it into the engine cylinders. If the combustion process is disturbed due to external impact on the load or composition (thermodynamic parameters) of atmospheric air, the working mixture begins to be prepared by controlled mixing of atmospheric air, exhaust gases and oxygen by the signal of the injection pump rail to the maximum fuel supply at a given mode. It is known [4] that in engines with free gas turbine pressurization, any significant load increase, in which we can talk about the need for additional measures to improve the quality of work, is almost always accompanied by the injection pump rail reaching the maximum fuel supply at a given mode. The time for the rack to reach the maximum supply of the specified mode even in single-pulse speed controllers is tenths of a second. It is not possible to qualitatively change the composition of the working mixture during this time, and therefore to prevent the rail from reaching the maximum supply of the specified mode, which confirms the higher reliability and efficiency of determining the beginning of the transient process by the signal of the injection pump rail to the maximum fuel supply for a given mode by comparison, for example, with complex sensors of power and air flow used in the prototype. A more reliable determination of the beginning of the transition process prevents false operation and excessive consumption of additional working fluid from the tank with its reserve.

Очевидно, что любое существенное отклонение параметров атмосферного воздуха, а следовательно, и параметров рабочей газовой смеси приводит к нарушению процесса сгорания, провалу частоты вращения и выходу рейки ТНВД на максимальную подачу для заданного режима. Отмеченные явления позволяют использовать сигнал выход рейки на максимальную подачу для заданного режима в качестве сигнала для начала приготовления рабочей смеси в переходных процессах, вызванных не только набросом нагрузки, но и аномальным состоянием атмосферного воздуха. В результате значительно расширяется по сравнению с прототипом область применения и эффективность заявляемого способа. Obviously, any significant deviation of the parameters of atmospheric air, and therefore the parameters of the working gas mixture, leads to a disruption of the combustion process, a failure of the rotational speed, and the injection pump rail reaches its maximum supply for a given mode. The noted phenomena make it possible to use the signal that the staff reaches the maximum supply for a given mode as a signal to start preparing the working mixture in transients caused not only by a load surge, but also by an abnormal state of atmospheric air. As a result, the scope and effectiveness of the proposed method significantly expands in comparison with the prototype.

Процесс приготовления рабочей смеси проводится в способе в следующей последовательности. The process of preparing the working mixture is carried out in the method in the following sequence.

1. По сигналу выхода рейки ТНВД на максимальную подачу топлива для заданного режима одновременно открывают подачу кислорода непосредственно на впуск двигателя после компрессора и отработавших газов на впуск двигателя до компрессора, а подачу атмосферного воздуха на впуск прекращают. 1. By the signal of the injection pump rail to the maximum fuel supply for a given mode, the oxygen supply is directly opened to the engine inlet after the compressor and the exhaust gas to the engine inlet to the compressor, and the atmospheric air supply to the inlet is stopped.

Подача кислорода обеспечивает немедленное восстановление рабочего процесса в цилиндрах. В данном случае подача дополнительного кислорода эквивалентна мгновенному повышению давления наддува, так как обеспечивает поступление эквивалентного количества окислителя [5] . Oxygen supply provides immediate restoration of the working process in the cylinders. In this case, the supply of additional oxygen is equivalent to an instantaneous increase in boost pressure, since it ensures the supply of an equivalent amount of oxidizing agent [5].

Подача отработавших газов с выпуска двигателя после турбины на его выпуск до компрессора обеспечивает интенсивную их раскрутку до требуемой частоты вращения за счет роста перепада давлений как на турбине (сопротивление выпуску при перепуске уменьшается), так и на компрессоре (при закрытом впуске двигателя давление перед компрессором увеличивается до величины давления отработавших газов). The exhaust gas supply from the engine exhaust after the turbine to its exhaust to the compressor ensures their intensive spin up to the required speed due to the increase in pressure drop both on the turbine (the resistance to exhaust decreases when the bypass is reduced) and on the compressor (when the engine is closed, the pressure in front of the compressor increases to exhaust gas pressure).

Подачу кислорода прекращают через некоторое время, определяемое временем восстановления сгорания в цилиндрах двигателя, а подачу отработавших газов прекращают после раскрутки турбокомпрессора, предваряя закрытие подачи отработавших газхов открытием подачи на впуск атмосферного воздуха. The oxygen supply is stopped after some time, determined by the recovery time of combustion in the engine cylinders, and the exhaust gas supply is stopped after the turbocharger is untwisted, preceding the closing of the exhaust gas supply by opening the supply to the atmospheric air inlet.

2. По истечении времени после выхода рейки ТНВД на максимальную подачу топлива для заданного режима, определяемого временем поступления обогащенного кислородом потока отработавших газов в канал их отбора на впуск двигателя, выпускной трубопровод закрывают и весь поток обогащенных кислородом отработавших газов подается в этот канал. Таким образом, практически весь запас кислорода из баллона полезно используется на сгорение и при подаче в этом случае обогащенных кислородом отработавших газов на впуск отсутствует опасность нарушения сгорания (при концентрации кислорода на впуске даже 25-30 вес. % отработавшие газы на номинальной нагрузке имеют концентрацию кислорода порядка 16-21% , что достаточно для сгорания топлива). Через некоторое время после закрытия подачи кислорода на впуск выпускной трубопровод открывают и выпускную систему двигателя сообщают с атмосферой. 2. After the time has elapsed since the injection pump rail reaches the maximum fuel supply for a given mode, which is determined by the time the oxygen-enriched exhaust gas stream enters the exhaust intake channel, the exhaust pipe is closed and the entire oxygen-enriched exhaust gas stream is supplied to this channel. Thus, almost the entire supply of oxygen from the cylinder is useful for combustion, and when in this case the oxygen-enriched exhaust gas is supplied to the inlet, there is no danger of disruption of combustion (when the oxygen concentration in the inlet is even 25-30 wt.%, The exhaust gases at the nominal load have an oxygen concentration about 16-21%, which is enough for fuel combustion). Some time after closing the oxygen supply to the inlet, the exhaust pipe is opened and the engine exhaust system is in communication with the atmosphere.

Таким образом, после указанных операций (по пп. 1 и 2) рабочая смесь как и в исходном состоянии до выхода рейки на максимальную подачу заданного режима вновь готовят путем сжатия атмосферного воздуха в компрессоре. Thus, after the indicated operations (according to items 1 and 2), the working mixture, as in its initial state, is again prepared by compressing atmospheric air in the compressor until the rail reaches the maximum supply of the specified mode.

Описанные для случая наброса нагрузки операции приготовления рабочей смеси согласно предлагаемому способу при переходном режиме, вызванном аномальным состоянием атмосферы, повторяются в том же объеме и последовательности с той особенностью, что при длительном аномальном состоянии атмосферы после восстановления связи с атмосферой рейка ТНВД снова выходит на максимальную подачу заданного режима и циклы приготовления рабочей смеси из кислорода и отработавших газов повторяются. Возможность длительной работы двигателя в подобных условиях непрерывно повторяющихся циклов импульсного обогащения рабочей смеси кислородом показана, в частности, в работе [6] . Там же показано, что провалы частоты вращения двигателя в таком режиме не превышают значений, определяемых требованиями ГОСТ 10511-82 для систем автоматического регулирования частоты вращения, что подветрждает возможность применения данного способа в установках, требующих стабильной частоты вращения, например дизель-генераторах. The operations for preparing the working mixture described in the case of a load surge according to the proposed method during a transitional mode caused by an abnormal state of the atmosphere are repeated in the same volume and sequence with the feature that, in the case of a prolonged anomalous state of the atmosphere after reconnecting with the atmosphere, the injection pump rail again reaches its maximum feed rate predetermined mode and cycles of preparation of the working mixture of oxygen and exhaust gases are repeated. The possibility of long-term engine operation under similar conditions of continuously repeating cycles of pulsed enrichment of the working mixture with oxygen was shown, in particular, in [6]. It also shows that dips in the engine speed in this mode do not exceed the values determined by the requirements of GOST 10511-82 for automatic speed control systems, which confirms the possibility of using this method in installations requiring a stable speed, for example diesel generators.

Временные характеристики перечисленных операций приготовления рабочей смеси в случае аномального состояния атмосферного воздуха могут быть увеличены с целью сокращения общего количества циклов. В предельном случае - при длительном аномальном состоянии окружающей среды (например, в двигателях транспортных средств при преодолении туннелей, водных преград, радиоактивных участков местности и т. п. ). Заявляемый способ позволяет обеспечить достаточно длительную работу двигателя за один цикл приготовления рабочей смеси при полном отсутствии связи с атмосферой по воздухозабору, постоянной подаче отработавших газов на впуск двигателя и импульсном обогащении на фиксированное время рабочей смеси кислородом при выходе на максимальную подачу топлива для заданного режима. В этом случае время закрытия выпуска и впуска двигателя и соответственно время открытия подачи отработавших газов на впуск ограничены инерционностью (объемом) канала, связывающего выпускной трубопровод с впускным, а также условиями естественного охлаждения этого канала (например, объемом или водой при движении транспортного средства). Время открытия подачи кислорода в этом случае может быть определено не только по условию восстановления сгорания, но и увеличено вплоть до времени максимального обогащения замкнутого газового контура кислородом. В последнем случае циклы импульсного обогащения кислородом рабочей смеси происходят реже, благоприятно сказываются на работе двигателя. При необходимости избыток отработавших газов за счет образования углекислого газа при сгорании топлива может быть удален путем кратковременного импульсного восстановления связи выпускного трубопровода с атмосферой либо с помощью самодействующего предохранительного клапана предельного давления, установленного на выпуске перед турбиной. The time characteristics of the above operations for the preparation of the working mixture in the case of an abnormal state of atmospheric air can be increased in order to reduce the total number of cycles. In the extreme case, with a prolonged abnormal state of the environment (for example, in the engines of vehicles when overcoming tunnels, water barriers, radioactive areas, etc.). The inventive method allows for a sufficiently long operation of the engine for one cycle of preparation of the working mixture in the complete absence of communication with the atmosphere through the intake, constant supply of exhaust gases to the engine inlet and pulse enrichment for a fixed time of the working mixture with oxygen when reaching the maximum fuel supply for a given mode. In this case, the closing time of the exhaust and intake of the engine and, accordingly, the opening time of the exhaust gas supply to the inlet are limited by the inertia (volume) of the channel connecting the exhaust pipe to the inlet, as well as the conditions of natural cooling of this channel (for example, volume or water when the vehicle is moving). The opening time of the oxygen supply in this case can be determined not only by the condition for the restoration of combustion, but also increased up to the time of maximum enrichment of the closed gas circuit with oxygen. In the latter case, the cycles of pulsed oxygen enrichment of the working mixture occur less frequently, favorably affect the operation of the engine. If necessary, the excess exhaust gas due to the formation of carbon dioxide during fuel combustion can be removed by short-term impulse restoration of the connection of the exhaust pipe with the atmosphere or by using a self-acting pressure relief valve installed at the outlet in front of the turbine.

На фиг. 1 дана принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания, реализующего предлагаемый способ работы. In FIG. 1 is a schematic diagram of an internal combustion engine that implements the proposed method of operation.

Схема включает двигатель 1 с системами и механизмами, обеспечивающими процесс сгорания топлива, блочный плунжерный ТНВД 2, установленный на остове двигателя 1 и снабженный рейкой 3, микропереключатель 4, размещенный на ТНВД 2 и связанный с рейкой для выбора режима ТНВД 2, баллон 5 с запасом газообразного кислорода, компрессор 6, турбину 7 турбокомпрессора, газовый аккумулятор 8, клапан 9 подачи отработавших газов с электроприводом, клапан 10 подачи кислорода с электроприводом, клапан-отсекатель 11 выпуска отработавших газов с электроприводом, клапан-отсекатель 12 выпуска воздуха с электроприводом, самодействующий предохранительный клапан 13 предельного давления отработавших газов, пульт управления 14, аккумуляторная батарея 15, блок 16 временных задержек подачи кислорода, блок 17 временных задержек подачи отработавших газов, блок 18 временных задержек прекращения выпуска отработавших газов, блок 19 временных задержек прекращения выпуска, впускной трубопровод 20 и выпускной трубопровод 21. The scheme includes an engine 1 with systems and mechanisms for the fuel combustion process, a block plunger fuel injection pump 2 mounted on the skeleton of the engine 1 and equipped with a rail 3, a microswitch 4 placed on the fuel pump 2 and connected to the rail for selecting the fuel injection pump 2 mode, cylinder 5 with a margin oxygen gas, compressor 6, turbocharger turbine 7, gas accumulator 8, electric exhaust valve 9, electric oxygen supply valve 10, electric exhaust valve-shutoff valve 11, valve electrically actuated air release pan-cutter 12, self-acting exhaust valve 13, pressure limit switch, control panel 14, battery 15, oxygen supply time delay unit 16, exhaust gas supply time delay unit 17, exhaust gas termination delay unit 18 block 19 temporary delays in the termination of release, the intake pipe 20 and the exhaust pipe 21.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. The internal combustion engine operates as follows.

При нормальном состоянии атмосферного воздуха и постоянном нагрузочном режиме клапаны-отсекатели 11 и 12 открыты, а клапаны 10 и 9 закрыты. Рабочая газовая смесь в виде воздуха по трубопроводу 20 через компрессор 6 поступает в цилиндры, куда одновременно подается топливо, дозируемое ТНВД 2. В результате сгорания топлива в среде воздуха образуется энергия, которая преобразуется во вращательную энергию вала и полезно используется. При набросе нагрузки двигатель или аномальном изменении параметров атмосферного воздуха процесс сгорания в цилиндрах двигателя нарушается ввиду недостаточного количества окислителя и вследствие этого начинает падать частота вращения его вала. В этих условиях под действием регулятора частоты вращения рейка 3 ТНВД 2 выходит на максимальную подачу топлива для заданного режима. При этом включается микропереключатель 4, установленный подвижно на ТНВД и связанный с рейкой для выбора режима. Микропереключатель включает блок 16 временных задержек, который подает сигналы на открытие клапана 10 и блоки 17-19 временных задержек. Блок 17 временных задержек сразу по получении сигнала от блока 16 дает сигнал на открытие клапана 9. Блок 18 временных задержек по получении сигнала от блока 16 с выдержкой времени Δ τ₁, определяемой временем достижения обогащенных кислородом отработавших газов места их отбора в газовый аккумулятор 8, дает сигнал на закрытие клапана-отсекателя 11, а блок 19 после получения входного сигнала от блока 16 с выдержкой времени, определяемой временем полного открытия клапана 9, дает сигнал на закрытие клапана.In a normal state of atmospheric air and a constant load mode, the shut-off valves 11 and 12 are open, and the valves 10 and 9 are closed. The working gas mixture in the form of air through the pipeline 20 through the compressor 6 enters the cylinders, where the fuel dosed by the high-pressure fuel pump 2 is simultaneously supplied. As a result of the combustion of the fuel in the air, energy is generated, which is converted into rotational energy of the shaft and is used well. When the engine loads or an abnormal change in the parameters of atmospheric air, the combustion process in the engine cylinders is violated due to an insufficient amount of oxidizing agent and, as a result, the rotational speed of its shaft begins to fall. Under these conditions, under the influence of the speed controller, the rail 3 of the high-pressure fuel pump 2 reaches the maximum fuel supply for a given mode. At the same time, the microswitch 4 is turned on, mounted movably on the high pressure fuel pump and connected to the rail to select a mode. The microswitch includes a time delay unit 16, which signals the opening of the valve 10 and time delay units 17-19. Block 17 time delays immediately upon receipt of a signal from block 16 gives a signal to open valve 9. Block 18 time delays upon receipt of a signal from block 16 with a time delay Δ τ ₁ determined by the time it takes for the oxygen-enriched exhaust gases to reach their place in the gas accumulator 8, gives a signal to close the shut-off valve 11, and block 19 after receiving an input signal from block 16 with a time delay determined by the time the valve 9 was fully opened, gives a signal to close the valve.

При этом в первый момент переходного процесса наброса нагрузки в соответствии с предлагаемым способом повышение количества окислителя в цилиндрах и восстановление сгорания происходят практически мгновенно за счет подачи кислорода из баллона 5 через клапан 10 непосредствнено в цилиндры. Поскольку движение газа во впускном коллекторе турболентное, то кислород хорошо перемешивается с воздухом и поступающая рабочая смесь имеет гомогенный характер. Одновременно за счет подачи отработавших газов из газового аккумулятора 8 через клапан 9 на вход компрессора 6 происходит его интенсивная раскрутка, чему способствует также усиленная раскрутка механически связанной с ним турбины 7 за счет снижения аэродинамического сопротивления выпуску при перепуске отработавших газов. Рост давления на входе компрессора значительно усиливается после закрытия клапана-отсекателя 12, которое происходит после полного открытия клапана 9. Через некоторое время τ₁ после восстановления сгорания топлива в цилиндрах по сигналу блока 16 временных задержек клапан 10 закрывают, прекращая подачу кислорода. По окончании времени поступления обогащенных кислородом отработавших газов в газовый аккумулятор τ₃, определяемом периодом Δ τ₂, после которого прекращается подача в газовый аккумулятор обогащенных кислородом отработавших газов, блок 18 временных задержек дает сигнал на открытие клапана - отсекателя 11, после чего отработавшие газзы начинают удаляться в атмосферу через трубопровод 21. Через время τ₄, определяемое временем достижения требуемого давления рабочей смеси на впуске двигателя, по сигналу блока 19 временных задержек клапан-отсекатель 12 открывают и через трубопровод 20 сообщают впуск двигателя с атмосферой. Далее с выдержкой времени Δ τ₄, определяемой полным открытием клапана-отсекателя 12, по сигналу блока 17 закрывают клапан 9 и двигатель таким образом переводится в состояние, соответствующее отсутствию возмущений по нагрузке и параметрам атмосферного воздуха. Если аномальное состояние воздуха сохраняется либо вновь произошел сброс-наброс нагрузки рассмотренный ранее цикл приготовления рабочей смеси в переходных режимах повторяется.Moreover, at the first moment of the transient load shedding process in accordance with the proposed method, the increase in the amount of oxidizing agent in the cylinders and the restoration of combustion occur almost instantly due to the supply of oxygen from the cylinder 5 through the valve 10 directly into the cylinders. Since the gas movement in the intake manifold is turbulent, oxygen mixes well with air and the incoming working mixture is homogeneous. At the same time, due to the supply of exhaust gases from the gas accumulator 8 through the valve 9 to the inlet of the compressor 6, it is intensively unwound, which is also facilitated by the enhanced unwinding of the mechanically connected turbine 7 by reducing the aerodynamic resistance to exhaust when the exhaust gas is bypassed. The increase in pressure at the compressor inlet is significantly enhanced after the shut-off valve 12 closes, which occurs after the valve 9 is completely opened. After some time τ _1, after the combustion of the fuel in the cylinders is restored, the valve 10 is closed by the signal of the time delay unit 16, stopping the oxygen supply. At the end of the time the oxygen-enriched exhaust gas enters the gas accumulator τ ₃ determined by the period Δ τ ₂ , after which the supply of oxygen-enriched exhaust gas to the gas accumulator is stopped, the time delay unit 18 gives a signal to open the valve-shutter 11, after which the exhaust gas starts removed to the atmosphere via line 21. after a time τ _4, determined by the time the mixture reaches operating the motor inlet pressure required, the alarm unit 19, the time delay valve UTS Catel 12 open and through the conduit 20 reports the engine inlet to the atmosphere. Next, with a time delay Δ τ ₄ determined by the complete opening of the shutoff valve 12, the signal 9 closes valve 9 and the engine is thus transferred to a state corresponding to the absence of disturbances in load and atmospheric air parameters. If the abnormal state of air persists or a load shedding has again occurred, the previously considered cycle of preparation of the working mixture in transient conditions is repeated.

Временная диаграмма процессов приготовления рабочей смеси представлена на фиг. 2. Отмеченные в цикле выдержки времени в блоках 16-19 устанавливаются по сигналам управления с пульта управления (ПУ) и в процессе функционирования двигателя в зависимости от внешних условий могут изменяться. В частности, период открытия τ₁ и связанные с ним другие периоды могут быть изменены в сторону увеличнеия по мере расходования запаса кислорода (снижение давления в баллоне 5), а также при необходимости длительной изоляции от атмосферы при ее аномальном состоянии.A timing diagram of the processes for preparing the working mixture is shown in FIG. 2. The time delays marked in the cycle in blocks 16-19 are set by control signals from the control panel (PU) and during the operation of the engine, depending on external conditions, they can change. In particular, the opening period τ ₁ and other periods associated with it can be increased upwards as the oxygen supply is consumed (pressure decrease in the cylinder 5), and also if long-term isolation from the atmosphere is necessary in case of its anomalous state.

На фиг. 3 в качестве простейшего примера практической реализации управления клапанами приготовления рабочей смеси заявляемого двигателя представлена принципиальная электрическая схема работы клапанов с использованием электромеханических реле времени РВ1-РВ4 в качестве блоков временных задержек БВ31-БВ34. Указанные реле времени управляют работой контакторов КИ1-КИ4 исполнительных механизмов И1-И4. In FIG. 3 as a simple example of the practical implementation of the control valves for the preparation of the working mixture of the inventive engine, a circuit diagram of the operation of the valves using the electromechanical time relay PB1-PB4 as time delay blocks BV31-BV34 is presented. These timers control the operation of the contactors KI1-KI4 actuators I1-I4.

Схема работает следующим образом. При выходе рейки ТНВД на максимальную подачу топлвиа для заданного режима замыкается контакт микропереключателя МП, катушка реле РВ1 получает питание и своими замыкающими контактами в цепи РВ1 самоблокируется, в цепи РВ2 подает питание на катушку РВ2, в цепи РВ3 подает питание на катушку РВ3, в цепи РВ4 подает питание на катушку реле РВ4, в цепи КИ подает питание на катушку контактора КИ1. Контакты КИ1 (не показаны) подают питание на клапан 10, который открывает подачу кислорода. Реле РВ2, получив питание, одним замыкающим контактом самоблокируется, а другим подает питание на онтактор КИ2, который своими контактами подает питание на клапан 9, открывая подачу обогащенных кислородом отработавших газов из газового аккумулятора 8 на впуск двигателя перед компрессором 6. Реле РВ3, получив питание, одним замыкающим контактом самоблокируется, а с помощью контакта в цепи КИЗ готовит к включению контактор КИЗ клапана-отсекателя 11 закрытия выпускного трубопровода. Реле РВ4, получив питание, одним замыкающим контактом самоблокируется, а другим в цепи КИ4 готовит к включению контактор КИ4 клапан-отсекателя 12 закрытия впускного трубопровода. Через некоторое время Δ τ₁ = Δ τ₃ = Δ τ (см. фиг. 2) клапан 9 полностью открывается и конечные выключатели КВО И2 в цепях КИ3 и КИ4 подают питание на катушки контакторов закрытия впускного КИ4 и выпускного КИ3 трубопроводов. Контакты КИ3 и КИ4 (не показаны) подают силовое питание соответственно на клапаны-отсекатели 11 и 12, которые закрываются, перекрывая трубопроводы (конструктивное исполнение клапанов-отсекателей 11 и 12 такое, что при подаче питания они зарываются, а клапаны 10 и 9, наоборот, в этом случае открываются). После включения КИ3 и КИ4 они самоблокируются своими контактами, установленными параллельно контактам КВО И2.The scheme works as follows. When the injection pump rail reaches the maximum fuel supply for the specified mode, the contact of the MP microswitch closes, the relay coil PB1 receives power and closes in the circuit РВ1, in the РВ2 circuit supplies power to the РВ2 coil, in the РВ3 circuit supplies power to the РВ3 coil, in the circuit PB4 supplies power to the coil of the relay PB4, in the KI circuit supplies power to the coil of the contactor KI1. Contacts KI1 (not shown) supply power to the valve 10, which opens the oxygen supply. Relay РВ2, having received power, is self-locking by one closing contact, and the other supplies power to the KI2 ontactor, which supplies power to valve 9 with its contacts, opening the supply of oxygen-enriched exhaust gases from gas accumulator 8 to the engine inlet before compressor 6. Relay РВ3, having received power , with one closing contact it is self-locking, and with the help of the contact in the circuit the KIZ prepares for inclusion the KIZ contactor of the shut-off valve 11 of the closing of the exhaust pipe. Relay RV4, having received power, is self-locking by one make contact, and the other in the KI4 circuit prepares to turn on the KI4 contactor of the shut-off valve 12 for closing the intake pipe. After some time, Δ τ ₁ = Δ τ ₃ = Δ τ (see Fig. 2), the valve 9 opens completely and the KVO I2 limit switches in the KI3 and KI4 circuits supply power to the coils of the contactors for closing the inlet KI4 and outlet KI3 pipelines. KI3 and KI4 contacts (not shown) supply power to the shutoff valves 11 and 12, respectively, which close, blocking the pipelines (the design of the shutoff valves 11 and 12 is such that they are buried when power is supplied, and valves 10 and 9, on the contrary , in this case open). After switching on KI3 and KI4, they self-lock with their contacts installed parallel to the contacts of KVO I2.

С выдержкой времени τ₁ , определяемой уставкой реле РВ1, размыкается ее главный контакт РВ1, катушка РВ1 теряет питание, соответственно теряет питание катушка КИ1 и клапан 10 закрывается. Аналогично с выдержками времени τ₂ , τ₃ , и τ₄ теряют питание КИ2, КИ3 и КИ4, что приводит к открытию клапанов-отсекателей 11 и 12 и закрытию клапана 9 (см. фиг. 2). Таким образом клапаны приводятся в положение, соответствующее нормальной работе двигателя при отсутствии внешних возмущений по нагрузке и параметрам окружающего воздуха. Уставки времени устанавливаются в реле времени вручную. Пульт управления реализован в виде кнопочного поста, позоляющего при необходимости кнопкой ПУ дублировать вручную работу схемы. При реализации схемы на базе электронных реле времени либо с применением микропроцессорных средств на пульт управления могут быть возложены функции автоматического изменения и взаимной регулироки в соответствии с заявляемым способом временных задержек, что может значительно повысить эффективность предлагаемого двигателя. Объем газового аккумулятора 8 может быть рассчитан по условию обеспечения за счет естественного охлаждения в газовом аккумуляторе до требуемой температуры обработавших газов, поступающих на впуск двигателя.With a time delay of τ ₁ , determined by the setpoint of relay PB1, its main contact PB1 opens, coil PB1 loses power, respectively, coil KI1 loses power and valve 10 closes. Similarly, with time delays τ ₂ , τ ₃ , and τ ₄ lose power KI2, KI3 and KI4, which leads to the opening of the shut-off valves 11 and 12 and the closing of the valve 9 (see Fig. 2). Thus, the valves are brought into a position corresponding to the normal operation of the engine in the absence of external disturbances in the load and parameters of the ambient air. The time settings are manually set in the time relay. The control panel is implemented in the form of a button post, if necessary, using the PU button, manually duplicate the operation of the circuit. When implementing a circuit based on electronic timers or using microprocessor means, the control panel can be assigned the functions of automatic change and mutual adjustment in accordance with the claimed method of time delays, which can significantly increase the efficiency of the proposed engine. The volume of the gas accumulator 8 can be calculated according to the condition of providing due to natural cooling in the gas accumulator to the required temperature of the treated gases entering the engine inlet.

Технико-экономическая эффективность заявляемого технического решения по сравнению с прототипом заключается в следующем:
1. Повышается качество переходных режимов, вызванных изменением нагрузки на двигатель вследствие подачи одной части дополнительной рабочей смеси в виде кислорода непосредственно в цилиндры двигателя, а также подачи другой части дополнительной рабочей смеси в виде обогащенных кислородом отработавших газов на раскрутку компрессора в количестве, значительно большем, чем в прототипе;
2. Повышается эффективность использования и снижается расход органического запаса кислорода из баллона 5 за счет циркуляции части ОГ, полученных в цилиндрах двигателя, с выпуска на всасывание (через газовый аккумулятор), более достоверного определения потребности в его использовании путем регистрации только существенных внешних воздействий, использования кислорода из баллона 5 только в первый период τ₁ переходного процесса (см. фиг. 2), необходимый для осстановления процесса сгорания и достаточной для удовлетворительного разгона турбокомпрессора;
3. Расширяется область и повышается эффективность использования способа работы дигателя и дигателя внутреннего сгорания виду возможности обеспечения работы в условиях внешних воздействий не только по нагрузке, но и по параметрам состояния атмосферного воздуха;
4. Повышается безопасность работы двигателя, так как кислород как окислитель более безопасен, чем водород. При этом следует отметить, что вместо кислорода может быть использован воздух (например, из пусковых баллонов при израсходовании или отсутствии кислорода). Хотя при этом эффективность значительно снижается, но она все равно выше, чем у прототипа, с учетом, в частности, доступности и безопасности сжатого воздуха;
5. Значительно упрощается конструкция двигателя, повышается его надежность, снижаются затраты на его изготовление и эксплуатацию вследствие применения более простых датчиков и других элементов, о чем свидетельствует, в частности, разработка заявляемого решения до уровня электрических схем соединений при управлении клапанами (см. фиг. 3).Feasibility study of the proposed technical solution compared with the prototype is as follows:
1. The quality of the transient conditions due to a change in the load on the engine due to the supply of one part of the additional working mixture in the form of oxygen directly to the engine cylinders, as well as the supply of the other part of the additional working mixture in the form of oxygen-enriched exhaust gases to the compressor in an amount much higher, is improved. than in the prototype;
2. The efficiency of use is increased and the consumption of the organic oxygen supply from the cylinder 5 is reduced due to the circulation of part of the exhaust gas obtained in the engine cylinders from exhaust to suction (through a gas accumulator), more reliable determination of the need for its use by recording only significant external influences, use oxygen from a cylinder 5 only during the first period τ _1, the transition process (see. FIG. 2) required for the combustion process Restoring and sufficient to satisfactorily disperse Turbokom mpressora;
3. The area is expanding and the efficiency of using the method of operation of the digester and internal combustion engine increases in view of the possibility of ensuring operation under external influences, not only in terms of load, but also in atmospheric air parameters;
4. Increases engine operating safety, since oxygen as an oxidizing agent is safer than hydrogen. It should be noted that instead of oxygen, air can be used (for example, from starting cylinders in case of exhaustion or absence of oxygen). Although the efficiency is significantly reduced, it is still higher than that of the prototype, taking into account, in particular, the availability and safety of compressed air;
5. The design of the engine is greatly simplified, its reliability is increased, the cost of its manufacture and operation is reduced due to the use of simpler sensors and other elements, as evidenced, in particular, by the development of the proposed solution to the level of electrical connections when controlling valves (see. FIG. 3).

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом обладает совокупностью отличительных признаков:
подача части дополнительной рабочей смеси в виде кислорода непосредственно на впуск двигателя при выходе рейки ТНВД на максимальную подачу топлива для заданного режима на период, меньший длительности переходного процесса, вызванного внешним возмущением;
подача части дополнительной рабочей смеси в виде обогащенных кислородом отработавших газов в количестве, значительно большем, чем у прототипа, на раскрутку компрессора;
закрытие связи с атмосферой на период рециркуляции отработавших газов, обеспечивающее больший, чем в прототипе, перепад давлений на турбокомпрессоре при его раскрутке;
изменение времени подачи различных компонентов рабочей смеси на впуск двигателя в зависимости от их термодинамических параметров, а также от вида и характера внешних воздействий по нагрузке и параметрам состояния атмосферного воздуха.The invention in comparison with the prototype has a combination of distinctive features:
supplying a part of the additional working mixture in the form of oxygen directly to the engine inlet when the injection pump rail reaches the maximum fuel supply for a given mode for a period shorter than the duration of the transition process caused by external disturbance;
the supply of part of the additional working mixture in the form of oxygen-enriched exhaust gases in an amount significantly greater than that of the prototype for the promotion of the compressor;
closing the connection with the atmosphere for the period of exhaust gas recirculation, providing a greater than in the prototype, the pressure drop across the turbocharger during its promotion;
change in the time of supply of various components of the working mixture to the engine inlet, depending on their thermodynamic parameters, as well as on the type and nature of external influences in terms of load and atmospheric air parameters.

Данная совокупность отличительных признаков удовлетворяет критерию существенные отличия, поскольку сообщает заявляемому техническому решению ряд новых свойств:
способность обеспечить, начиная с момента выхода рейки на упор, нормальное сгорание топлива в цилиндрах двигателя в переходном режиме, вызванном внешними воздействиями по нагрузке или аномальным параметрам атмосферного воздуха при подаче дополнительной рабочей смеси в течение времени, меньшем времени переходного режима, и полном отсутствии связи двигателя с атмосферой;
способность в период переходного процесса двигателя работать на отработавших газах, предварительно используемых для раскрутки компрессора, при этом в первый период переходного процесса за счет соединения выпуска с всасыванием перепад давлений на турбокомпрессоре без применения посторонних источников энергии и рабочих сред становится большим, чем на конечном установившемся режиме;
дополнительное рабочее тело, подаваемое из баллона с его запасом, полностью используется в двигателе за счет рецеркуляции отработавших газов и закрытия выпускного трубопровода в период переходного процесса;
появляется возможность работы двигателя при отсутствии забора воздуха из атмосферы.This set of distinctive features meets the criterion of significant differences, as it provides the claimed technical solution with a number of new properties:
the ability to ensure, starting from the moment the rail comes to an abutment, normal combustion of fuel in the engine cylinders in the transient mode caused by external influences on the load or abnormal parameters of the atmospheric air when an additional working mixture is supplied for a time shorter than the transient regime and the complete absence of engine communication with the atmosphere;
the ability of the engine to operate on exhaust gases pre-used for compressor unwinding during the transient period, while in the first period of the transient process, by connecting the exhaust to the suction, the pressure drop across the turbocharger without the use of extraneous energy sources and working media becomes greater than in the final steady state ;
additional working fluid supplied from the cylinder with its reserve is fully used in the engine due to exhaust gas recirculation and closing of the exhaust pipeline during the transition process;
there is the possibility of engine operation in the absence of air intake from the atmosphere.

(56) 1. Авторское свидетельство СССР N 382834, кл. F 02 B 47/10, 1957. (56) 1. USSR author's certificate N 382834, cl. F 02 B 47/10, 1957.

2. Толшин В. И. Переходные процессы в дизель-генераторах. Л. : Машиностроение, 1977. 2. Tolshin V. I. Transient processes in diesel generators. L.: Engineering, 1977.

3. Авторское свидетельство СССР N 1331180, кл. F 02 B 47/10, 1988. 3. Copyright certificate of the USSR N 1331180, cl. F 02 B 47/10, 1988.

4. Толшин В. И. Основы автоматики и автоматизации энергетических установок. Л. : ЛВВИСУ, 1974. 4. Tolshin V. I. Fundamentals of automation and automation of power plants. L.: LVISU, 1974.

5. Прутчиков И. О. Оценка влияния кислорода на качество переходных процессов дизеля. - Двигателестроение, 1990, N 14. 5. Prutchikov I. O. Evaluation of the effect of oxygen on the quality of transients of a diesel engine. - Engine building, 1990, N 14.

6. Прутчиков И. О. Приложение к диссертации на специальную тему. Л. : ЛВВИСУ, 1987. 6. Prutchikov I. O. Appendix to the dissertation on a special topic. L.: LVISU, 1987.

7. Авторское свидетельство СССР N 1015093, кл. F 02 D 41/00, 1983. 7. Copyright certificate of the USSR N 1015093, cl. F 02 D 41/00, 1983.

Claims

1. The method of operation of the internal combustion engine by introducing compressed air, compressing it, injecting and burning fuel, expanding the combustion products, exhaust exhaust and supplying an additional working fluid by a control signal, the latter being formed at the time of maximum fuel supply in a given mode, characterized in that, in order to increase efficiency, an additional working fluid is fed into the initial and final period of the transition process, and compressed oxygen is used as an additional working fluid, and exhaust gases, moreover, in the initial period of the transition process, a mixture of compressed oxygen and exhaust gases is used as an additional working fluid, and in the final period, exhaust gases are recycled to the inlet without supplying compressed air to them.

2. An internal combustion engine comprising at least one cylinder with a piston placed in it kinematically connected to the shaft, a turbocompressor, the compressor output of which is connected to the cylinder, an inlet pipe connected to the compressor guide, an exhaust pipe connected through the turbine to the engine , a line for supplying hydrocarbon fuel to cylinders equipped with a high-pressure fuel pump, a source of an additional working fluid connected via a line to a valve under an additional working fluid, and a battery, characterized in that, in order to increase efficiency, it further comprises a gas battery, an exhaust gas supply valve, the output of which is connected to the compressor inlet, and the input through the gas battery is connected to the turbine output, a control panel, an air supply valve mounted on the inlet pipe, first, second, third and fourth time delay blocks, respectively, with control inputs and first and second outputs, an exhaust gas release valve in, installed on the exhaust pipe, a self-acting pressure relief valve installed on the engine outlet, a micro switch mounted on the stop of the maximum feed of the high-pressure fuel pump rail and connected to the battery and to the controlled input of the first block of time delays, the first output of which is simultaneously connected with an additional working fluid supply valve, and through the third block of time delays - with an exhaust valve and through the fourth block time delays - with the air supply valve, and its second outlet through the second time delay unit is connected to the exhaust gas supply valve, and the controlled inputs of the time delay units are connected to the control panel, the additional working fluid supply valve is connected to the engine inlet, and the source of the additional working fluid made in the form of a container with compressed oxygen.