RU2543925C1

RU2543925C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2543925C1
Application number: RU2013149588/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Константинович Ванин; Элмар Владимирович Аболтин; Владислав Анатольевич Лукшо; Михаил Витальевич Миронов; Юрий Юрьевич Натепров; Руслан Владимирович Якунин
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2015-03-10

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention can be used in engine-building. The internal combustion engine contains the cylinder with the piston, inlet and outlet valves (7) and (1), a turbocompressor (10), a channel (8) for air passing from the turbocompressor (9) to the inlet valve (7) and the channel (4) for passing of exhaust gases from the outlet valve (1) to the turbocompressor turbine. The engine contains the multiposition distributor (5) in one of positions interconnecting the channel (4) for passing of exhaust gases through the recirculation channel (2) with the inlet valve (7). In other position the multiposition distributor (5) interconnects the channel (4) for passing of exhaust gases through the recirculation channel (2) with an inlet to the compressor. In the third position the multiposition distributor (5) interconnects the channel (8) for air passing from the compressor (9) with the inlet to the compressor and the recirculation channel (2). The operated valve (3) is installed in the recirculation channel (2) between the channel (4) for passing of exhaust gases from the outlet valve (1) to the turbocompressor turbine and the multiposition distributor (5).

EFFECT: decrease in nitrogen emissions.

2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом. Оно касается двигателя внутреннего сгорания, в котором применяется рециркуляция выпускных газов из выпускного клапана в цилиндр двигателя через впускной клапан.The invention relates to internal combustion engines with gas turbine supercharging. It relates to an internal combustion engine that uses exhaust gas recirculation from the exhaust valve to the engine cylinder through the intake valve.

Известны различные двигатели внутреннего сгорания, в которых используется рециркуляция выпускных газов. В двигателях, показанных в патентах №№1751380, 2231660, выданных в РФ, в патенте №8353275, выданном в США, рециркуляцию выпускных газов осуществляют по внутреннему контуру между выпускным и впускным коллекторами, где давление газов при турбонаддуве значительно выше атмосферного. В двигателях, изображенных в патентах №№2006610, 2230212, выданных в РФ, рециркуляцию отработавших газов осуществляют по внешнему контуру, а именно из выпускной системы транспортного средства через впускной патрубок компрессора турбокомпрессора при давлении газов, близком к атмосферному. В качестве более близкого аналога принят двигатель внутреннего сгорания, показанный в патенте №6470682, выданном в США, МПК F02M 25/07, который содержит цилиндр с поршнем, впускной и выпускной клапаны, турбокомпрессор, канал для прохода воздуха от компрессора турбокомпрессора к впускному клапану, канал для прохода выпускных газов от выпускного клапана к турбине турбокомпрессора. В этом двигателе внутреннего сгорания отработавшие газы, поступающие от турбины турбокомпрессора, подают либо на вход в компрессор либо во впускной коллектор с помощью компрессора, что требует дополнительного расхода энергии. Однако применение регулирования наддува в сочетании только с внешним контуром рециркуляции выпускных газов или только с внутренним контуром рециркулирующих выпускных газов сужает возможности и понижает эффективность использования двигателя.Various internal combustion engines are known in which exhaust gas recirculation is used. In engines shown in patents No. 1751380, 2231660 issued in the Russian Federation, in patent No. 8353275 issued in the USA, exhaust gas recirculation is carried out along the internal circuit between the exhaust and intake manifolds, where the gas pressure during turbocharging is much higher than atmospheric. In the engines depicted in patents No. 20066610, 2230212, issued in the Russian Federation, exhaust gas recirculation is carried out along the external circuit, namely from the exhaust system of the vehicle through the inlet pipe of the compressor of the turbocompressor at a gas pressure close to atmospheric. As a closer analogue, an internal combustion engine is shown, shown in US patent No. 6470682, issued to the USA, IPC F02M 25/07, which contains a cylinder with a piston, inlet and outlet valves, a turbocompressor, a channel for the passage of air from the compressor of the turbocompressor to the inlet valve, a channel for the passage of exhaust gases from the exhaust valve to the turbine of the turbocharger. In this internal combustion engine, the exhaust gases coming from the turbocharger turbine are either supplied to the compressor inlet or to the intake manifold using a compressor, which requires additional energy consumption. However, the use of boost control in combination only with the external exhaust gas recirculation circuit or only with the internal exhaust gas recirculation circuit reduces the possibilities and reduces the efficiency of engine use.

Задачей является повышение эффективности работы двигателя, сокращение выбросов оксидов азота, улучшение топливной экономичности путем сочетания внутреннего контура рециркуляции выпускных газов с выходом на внешний контур и контур регулирования компрессора турбокомпрессора.The objective is to increase engine efficiency, reduce nitrogen oxide emissions, improve fuel efficiency by combining the internal exhaust gas recirculation circuit with the external circuit and the control circuit of the turbocharger compressor.

Решение задачи повышения эффективности работы и улучшения топливной экономичности двигателя, сокращения выбросов оксидов азота обеспечено тем, что двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр с поршнем, впускной и выпускной клапаны, турбокомпрессор, канал для прохода воздуха от компрессора турбокомпрессора к впускному клапану, канал для прохода выпускных газов от выпускного клапана к турбине турбокомпрессора, при этом он содержит многопозиционный распределитель, в одной из позиций сообщающий канал прохода выпускных газов через рециркуляционный канал с впускным клапаном, в другой позиции сообщающий канал прохода выпускных газов через рециркуляционный канал с входом в компрессор, в третьей позиции сообщающий канал прохода воздуха от компрессора с входом в компрессор и с рециркуляционным каналом. В рециркуляционном канале между каналом прохода выпускных газов от выпускного клапана к турбине турбокомпрессора и многопозиционным распределителем установлен управляемый клапан.The solution to the problem of increasing operating efficiency and improving fuel efficiency of the engine, reducing emissions of nitrogen oxides is ensured by the fact that the internal combustion engine contains a cylinder with a piston, inlet and outlet valves, a turbocharger, a channel for air passage from the compressor of the turbocharger to the inlet valve, a channel for passage of exhaust gases from the exhaust valve to the turbine of the turbocompressor, while it contains a multi-position valve, in one of the positions communicating the passage of exhaust gases through p a recirculation channel with an inlet valve, in another position communicating the passage of exhaust gases through the recirculation channel with the compressor inlet, in a third position communicating the air passage from the compressor with the compressor inlet and with the recirculation channel. In the recirculation channel between the channel for the passage of exhaust gases from the exhaust valve to the turbine of the turbocharger and a multi-position valve, a controlled valve is installed.

При таком выполнении двигателя внутреннего сгорания, снабженного турбокомпрессором, обеспечена возможность регулирования наддува в сочетании и с внутренним, и с внешним контуром рециркуляции выпускных или отработавших газов, что расширяет возможности и повышает эффективность использования двигателя.With this embodiment of an internal combustion engine equipped with a turbocharger, it is possible to control boost in combination with both the internal and external recirculation circuits of exhaust or exhaust gases, which expands the possibilities and increases the efficiency of engine use.

Многопозиционный распределитель выполнен в виде тройникового узла, содержащего корпус круглого, эллиптического или прямоугольного сечения, соединенный с тремя патрубками такого же сечения, из которых два патрубка расположены соосно вдоль одной оси, а третий патрубок расположен под углом к указанной оси, равном 90°±40°, в корпусе распределителя расположена поворотная заслонка, в одном из своих положений сообщающая между собой все три патрубка, а в других положениях сообщающая между собой любые два несоосных патрубка.The multi-position distributor is made in the form of a tee assembly containing a body of round, elliptical or rectangular cross section, connected to three nozzles of the same cross section, of which two nozzles are located coaxially along one axis, and the third nozzle is located at an angle to the specified axis equal to 90 ° ± 40 °, a rotary damper is located in the distributor housing, in one of its positions communicating with each other all three nozzles, and in other positions communicating with each other any two misaligned nozzles.

На фигуре 1 показан двигатель внутреннего сгорания с расположением его заслонок в первой позиции.The figure 1 shows the internal combustion engine with the location of its flaps in the first position.

На фигуре 2 показан двигатель внутреннего сгорания с расположением его заслонок во второй позиции.The figure 2 shows the internal combustion engine with the location of its flaps in the second position.

На фигуре 3 показан двигатель внутреннего сгорания с расположением его заслонок в третьей позиции.The figure 3 shows the internal combustion engine with the location of its flaps in the third position.

На фигуре 4 показан двигатель внутреннего сгорания с расположением его заслонок в четвертой позиции.The figure 4 shows the internal combustion engine with the location of its flaps in the fourth position.

На фигуре 5 показан двигатель внутреннего сгорания с расположением его заслонок в пятой позиции.The figure 5 shows the internal combustion engine with the location of its flaps in the fifth position.

На фигуре 6 изображен многопозиционный распределитель.The figure 6 shows a multi-position valve.

Двигатель внутреннего сгорания, показанный на фигурах 1-5, содержит обычные поршни, расположенные в цилиндрах. Выпускной клапан 1, предназначенный для выпуска из цилиндра отработавших газов, соединен рециркуляционным каналом 2 с клапаном рециркуляции 3, далее через охладитель и другой участок 4 канала 2 - с многопозиционным распределителем 5, затем - через канал 6 с впускным клапаном 7 и с каналом 8 прохода воздуха из компрессора 9 турбокомпрессора 10. С другой стороны многопозиционный распределитель 5 соединен через канал 11 с входом 12 компрессора 9.The internal combustion engine shown in figures 1-5, contains conventional pistons located in the cylinders. The exhaust valve 1, designed to exhaust the exhaust gas from the cylinder, is connected by a recirculation channel 2 to a recirculation valve 3, then through a cooler and another section 4 of channel 2 with a multi-position valve 5, then through channel 6 with an inlet valve 7 and with a passage 8 air from the compressor 9 of the turbocharger 10. On the other hand, the multi-position distributor 5 is connected through a channel 11 to the input 12 of the compressor 9.

Сочетания положений клапана 3 и заслонки 13 распределителя 5 могут быть следующими.The combination of the positions of the valve 3 and the shutter 13 of the distributor 5 may be as follows.

При сочетании, показанном на фигуре 1, клапан рециркуляции 3 открыт. Расположенная в распределителе 5 заслонка 13 закрывает канал 11 к входу 12 компрессора 9. Одновременно полностью открывается канал 6, соединенный с впускной трубой 14, и тем самым обеспечен доступ к впускному клапану 7.With the combination shown in figure 1, the recirculation valve 3 is open. A shutter 13 located in the distributor 5 closes the channel 11 to the inlet 12 of the compressor 9. At the same time, the channel 6 is fully open, connected to the inlet pipe 14, and thereby access to the inlet valve 7 is provided.

При сочетании, показанном на фигуре 2, клапан рециркуляции 3 открыт. Заслонка 13 в распределителе 5 закрывает канал 6. Одновременно полностью открывает канал 11 и доступ к входу 12 компрессора 9.With the combination shown in figure 2, the recirculation valve 3 is open. The valve 13 in the distributor 5 closes the channel 6. At the same time completely opens the channel 11 and access to the input 12 of the compressor 9.

При сочетании, показанном на фигуре 3, клапан рециркуляции 3 закрыт. Заслонка 13 в распределителе 5 соединяет канал 6 с выходом 8 компрессора 9 и с каналом 11, открывая доступ к входу 12 компрессора 9.With the combination shown in figure 3, the recirculation valve 3 is closed. The valve 13 in the distributor 5 connects the channel 6 with the output 8 of the compressor 9 and with the channel 11, allowing access to the input 12 of the compressor 9.

При сочетании, показанном на фигуре 4, клапан рециркуляции 4 закрыт. Заслонка 13 перекрывает канал 6.With the combination shown in figure 4, the recirculation valve 4 is closed. The damper 13 blocks the channel 6.

При сочетании, показанном на фигуре 5, клапан рециркуляции 3 открыт. Заслонка 13 в многопозиционном распределителе 5 соединяет между собой каналы 2, 6, 11.With the combination shown in figure 5, the recirculation valve 3 is open. The damper 13 in the multi-position valve 5 connects the channels 2, 6, 11.

Клапан рециркуляции 3 и заслонка 13 в распределителе 5 имеют электропневматические приводы, соответственно, 15 и 16, которые управляются электронным блоком управления 17 посредством электрических средств 19 и 20. Аналогичным образом осуществляют управление посредством электропневматического привода 18 впускным дросселем 21 в канале 8.The recirculation valve 3 and the shutter 13 in the distributor 5 have electro-pneumatic actuators 15 and 16, respectively, which are controlled by the electronic control unit 17 by means of electric means 19 and 20. Similarly, they control by means of an electro-pneumatic actuator 18 the inlet throttle 21 in channel 8.

Многопозиционный распределитель 5, содержащий заслонку 13, имеющую эллиптический или прямоугольный профиль, представляет собой тройниковый узел. Он содержит корпус 22 круглого, эллиптического или прямоугольного сечения с тремя патрубками 23, 24 и 25. Патрубки 23 и 24 расположены соосно вдоль одной оси, а третий патрубок 25 расположен поперек двух других патрубков под углом к указанной оси, равном 90°±40°. В патрубке 25 расположен рециркуляционный канал 2, в патрубке 24 расположен канал 6, сообщающий распределитель 5 с впускной трубой 14, в патрубке 23 расположен канал 11, предназначенный для прохода рециркуляционных газов на вход 12 в компрессор 9. Поворотная заслонка 13 расположена в корпусе распределителя 5 на поворотной оси 26 и имеет привод посредством рычага 27 и связанной с ним тяги. В одном из своих положений заслонка 13 сообщает между собой все три патрубка, а в других положениях сообщающая между собой любые два несоосных патрубка, а именно патрубки 23 и 25 либо патрубки 24 и 25.A multi-position valve 5 comprising a shutter 13 having an elliptical or rectangular profile is a tee assembly. It contains a housing 22 of circular, elliptical or rectangular cross section with three nozzles 23, 24 and 25. The nozzles 23 and 24 are located coaxially along one axis, and the third nozzle 25 is located across two other nozzles at an angle to the specified axis equal to 90 ° ± 40 ° . A recirculation channel 2 is located in the pipe 25, a channel 6 is located in the pipe 24, which communicates the distributor 5 with the inlet pipe 14, in the pipe 23 there is a channel 11 designed for the passage of recirculation gases to the inlet 12 of the compressor 9. The rotary valve 13 is located in the distributor body 5 on the rotary axis 26 and is driven by a lever 27 and associated traction. In one of its positions, the shutter 13 communicates with each other all three nozzles, and in other positions communicates with each other any two misaligned nozzles, namely nozzles 23 and 25 or nozzles 24 and 25.

Взаимодействие клапанов в двигателе внутреннего сгорания, работающего на составах смеси, близких к стехиометрическим, осуществляют следующим образом. На большинстве режимов с нагрузками несколько ниже, чем максимальные, при снижении нагрузок клапан рециркуляции 3 приоткрывают в одном из позиционируемых положений, которое определяет уровень вращения коленчатого вала преимущественно выше средних, заслонкой 13 в распределителе 5 закрывают канал 11 и полностью открывают канал 6 для рециркулирующих газов прямо на вход во впускную трубу 14 и выпускной клапан 7 (фигура 1). В результате сокращаются выбросы оксидов азота и количество воздуха в составе горючей смеси до стехиометрического уровня соответственно снижению подачи топлива.The interaction of the valves in an internal combustion engine operating on mixtures close to stoichiometric is as follows. In most modes with loads, it is slightly lower than maximum, when the loads are reduced, the recirculation valve 3 is slightly opened in one of the positioned positions, which determines the level of rotation of the crankshaft mainly above average, the channel 11 in the distributor 5 closes the channel 11 and fully opens the channel 6 for recirculating gases directly to the inlet to the inlet pipe 14 and the exhaust valve 7 (figure 1). As a result, emissions of nitrogen oxides and the amount of air in the composition of the combustible mixture are reduced to a stoichiometric level corresponding to a decrease in fuel supply.

В случае недостатка рециркуляционного перепада - разницы давлений газов в выпускном канале 4 и воздуха во впускной трубе 14, например, на средних частотах вращения вала двигателя или ниже средних, заслонкой 13 в распределителе 5 закрывают канал 6 и одновременно полностью открывают канал 11 для прохода регулирующих газов на вход 12 в компрессор 9 (фигура 2), и тогда рециркуляционный перепад возрастает на величину избыточного давления в компрессоре 9. При этом клапан рециркуляции 3 открыт. В результате эффект по сокращению выбросов оксидов азота и количества воздуха в составе горючей смеси на этом режиме более значителен, чем на первом режиме, что позволяет либо меньше открывать клапан рециркуляции 3, либо использовать этот режим при резком сокращении нагрузки.In the case of a lack of recirculation differential, the difference in gas pressures in the exhaust channel 4 and air in the inlet pipe 14, for example, at medium speeds of the engine shaft or lower than the average, the channel 6 is closed by the shutter 13 in the distributor 5 and at the same time completely open the channel 11 for the passage of control gases at the input 12 to the compressor 9 (figure 2), and then the recirculation differential increases by the amount of overpressure in the compressor 9. In this case, the recirculation valve 3 is open. As a result, the effect of reducing emissions of nitrogen oxides and the amount of air in the composition of the combustible mixture in this mode is more significant than in the first mode, which allows you to either open the recirculation valve 3 less, or use this mode with a sharp reduction in load.

При необходимости предотвращения детонации клапан рециркуляции 3 закрывают, а заслонку 13 в распределителе 5 открывают (фигура 3). При этом канал 6 соединяет выход 8 компрессора 9 каналом 11 с входом 12 компрессора 9, в который перепускают часть наддувочного воздуха. В этом случае снижается давление наддува без нагрева горючей смеси рециркулирующими газами во избежание детонации.If it is necessary to prevent detonation, the recirculation valve 3 is closed, and the shutter 13 in the distributor 5 is opened (figure 3). When this channel 6 connects the output 8 of the compressor 9 channel 11 with the input 12 of the compressor 9, which bypass part of the charge air. In this case, the boost pressure is reduced without heating the combustible mixture with recirculating gases in order to avoid detonation.

На ряде режимов не требуется ни рециркуляция выпускных газов, ни перепуск наддувочного воздуха, например при пуске двигателя. На этих режимах клапан рециркуляции 3 закрывают. А заслонкой 13 в распределителе 5 закрывают канал 6 (фигура 4), что предотвращает перепуск наддувочного воздуха с выхода 8 компрессора 9. При этом дроссель 21 прикрывают.In a number of modes, neither exhaust gas recirculation nor charge air bypass, for example when starting the engine, is required. In these modes, the recirculation valve 3 is closed. And the shutter 13 in the distributor 5 closes the channel 6 (figure 4), which prevents the bypass of the charge air from the output 8 of the compressor 9. In this case, the throttle 21 is covered.

Наконец, возможны режимы, когда требуется перепуск наддувочного воздуха для снижения нагрузки и рециркуляция выпускных газов для сокращения выбросов оксидов азота, если она возможна по условиям детонации. Тогда открывают клапан 3 и устанавливают заслонку 13 вдоль каналов 6 и 11, соединяя их с участком 4 канала 2. Давление во впускной трубе 14 получается не ниже, чем в выпускном канале 4. Потоки перепускаемого воздуха и рециркулирующих газов направляют в количествах, соответствующих разницам давлений в каналах 11 и 6, в каналах 11 и 4, в каналах 4 и 6.Finally, modes are possible where by-pass of a charge air is required to reduce the load and exhaust gas recirculation to reduce nitrogen oxide emissions, if it is possible under detonation conditions. Then open the valve 3 and install the valve 13 along the channels 6 and 11, connecting them to the section 4 of channel 2. The pressure in the inlet pipe 14 is no lower than in the exhaust channel 4. The flows of bypassed air and recirculating gases are directed in quantities corresponding to pressure differences in channels 11 and 6, in channels 11 and 4, in channels 4 and 6.

На всех режимах, кроме режима пуска, воздушный дроссель 21 полностью открывают при уменьшении нагрузки, поскольку требуемое сокращение количества воздуха в составе горючей смеси обеспечивается вытеснением воздуха потоками рециркулирующих газов и/или снижением давления наддува при перепуске наддувочного воздуха.In all modes, except for the start-up mode, the air throttle 21 is fully open when the load is reduced, since the required reduction in the amount of air in the composition of the combustible mixture is provided by the displacement of air by recirculating gas flows and / or by the reduction of the boost pressure when the charge air is bypassed.

Таким образом, во время управления двигателем внутреннего сгорания, снабженным турбокомпрессором 10, при частоте вращения вала двигателя выше средней величины подают выпускные газы к впускному клапану 7, при средней и меньшей частоте вращения вала двигателя подают выпускные газы на вход в компрессор 9 турбокомпрессора 10, при снижении нагрузки на двигатель подают выпускные газы и к впускному клапану 7, и на вход в компрессор 9. А при работе двигателя на режиме, при котором возможна детонация, прекращают рециркуляцию выпускных газов и направляют часть наддувочного воздуха на вход в компрессор 9.Thus, during the control of an internal combustion engine equipped with a turbocharger 10, at an engine shaft speed higher than average, exhaust gases are supplied to the intake valve 7, at an average and lower engine speed, exhaust gases are supplied to the inlet of the compressor 9 of the turbocharger 10, at reducing the load on the engine, the exhaust gases are supplied both to the inlet valve 7 and to the inlet of the compressor 9. And when the engine is operating in a mode in which detonation is possible, the exhaust gas recirculation and are part of the charge air at the input to the compressor 9.

Позиционирование клапана 3 и заслонки 13, а также дросселя 21 отслеживают по сигналам с датчиков положения приводов 15, 16, 18 и осуществляют электронным блоком управления 17 в поле многопараметровой характеристики двигателя - карты двигателя - в зависимости от сигналов с датчиков частоты вращения коленчатого вала двигателя, нагрузки, детонации, температуры охлаждающей жидкости, расхода воздуха, давления и температуры наддувочного воздуха.The positioning of the valve 3 and the shutter 13, as well as the throttle 21 is monitored by signals from the position sensors of the actuators 15, 16, 18 and is carried out by the electronic control unit 17 in the field of a multi-parameter engine characteristic - the engine map - depending on the signals from the engine speed sensors, load, detonation, coolant temperature, air flow, pressure and charge air temperature.

В результате указанного объединения внутреннего контура рециркуляции выпускных газов с выходом на внешний контур и контур регулирования компрессора турбокомпрессора сокращаются согласно проведенным стендовым испытаниям выбросы оксидов азота, одновременно улучшается топливная экономичность благодаря устранению дроссельных потерь в воздушном дросселе, возрастает гибкость, быстродействие управления двигателем, что важно как в эксплуатации, так и при сертификации двигателя с быстропеременными режимами.As a result of this combination of the internal exhaust gas recirculation circuit with the output to the external circuit and the control circuit of the turbocompressor compressor, nitrogen oxide emissions are reduced according to bench tests, at the same time fuel efficiency is improved due to elimination of throttle losses in the air throttle, flexibility and speed of engine control are increased, which is important as in operation, and during certification of an engine with rapidly changing modes.

Claims

1. An internal combustion engine comprising a cylinder with a piston, an intake and exhaust valve, a turbocharger, a channel for passing air from a turbocharger compressor to an intake valve, a channel for passing exhaust gases from an exhaust valve to a turbocharger turbine, characterized in that it comprises a multi-position valve, in one position, the communicating channel for the passage of exhaust gases through the recirculation channel with the inlet valve, in another position, the communicating channel for the passage of exhaust gases through the recirculation channel with the compressor inlet, in the third position communicating the air passage from the compressor with the compressor inlet and with the recirculation channel, a controlled valve is installed in the recirculation channel between the exhaust gas passage from the exhaust valve to the turbocharger turbine and the multi-position distributor.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the multi-position distributor is made in the form of a tee assembly containing a body of round, elliptical or rectangular cross section, connected to three pipes of the same cross section, of which two pipes are located coaxially along one axis, and the third pipe is located at an angle to the specified axis, equal to 90 ° ± 40 °, a rotary damper is located in the distributor housing, in one of its positions communicating with each other all three pipes, and in other positions communicating with each other any two coaxial pipe.