Система двухканальной силовой турбины и способ ее управления - RU2646172C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение касается системы силовой турбины, точнее системы двухканальной силовой турбины и способа ее управления, относится к технике рекуперации энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время в области поршневых ДВС, энергия, расходующаяся на полезную работу ДВС, составляет лишь 35-45% от общего количества тепла, выделившегося при сгорании топлива, а 30-40% тепла уносится отработавшими газами. Так что рекуперация максимально возможной энергии отработавших газов ДВС позволяет не только увеличить выходную мощность ДВС, но и повысить термический коэффициент полезного действия двигателя, снизить удельный расход топлива, экономить энергию и защитить окружающую среду.

В китайском патенте на полезную модель за номер CN 104329148А от 4 февраля 2015 г. раскрыта система двухступенчатой силовой турбины, содержащая ДВС, впускной и выпускной коллекторы, турбокомпрессор, силовую турбину низкого давления, силовую турбину высокого давления и механические передачи, среди них турбокомпрессор включает нагнетательную турбину и компрессор, вход нагнетательной турбины соединен с выпускным коллектором, выход нагнетательной турбины соединен с входом силовой турбины низкого давления; силовая турбина низкого давления соединена общим валом с силовой турбиной высокого давления, и вход силовой турбины высокого давления соединен через перепускной канал с выпускным коллектором, выход силовой турбины высокого давления сначала параллельно соединен с выходом силовой турбины низкого давления, и потом совместно подключены к выпускной магистрали. Несмотря на то, что данное изобретение может улучшить коэффициент рекуперации энергии отработавших газов ДВС, повысить выходную мощность ДВС, оно имеет следующие недостатки:

Согласно данному изобретению силовая турбина низкого давления и силовая турбина высокого давления соединены общим валом, в случае когда давление входного воздуха не достигает заданного значения, энергия отработавших газов ДВС должна через силовую турбину низкого давления приводить силовую турбину высокого давления в действие с последующей передачей на коленчатый вал ДВС через механические передачи, что приводит к малому коэффициенту рекуперации энергии отработавших газов ДВС.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для устранения имеющихся недостатков и решения проблемы с малым коэффициентом рекуперации энергии отработавших газов ДВС, целью настоящего изобретения является предоставление системы двухканальной силовой турбины и способа ее управления, направленных на повышение коэффициента рекуперации энергии отработавших газов ДВС.

Для достижения вышеупомянутых целей, настоящее изобретение применяет следующее техническое решение: система двухканальной силовой турбины, включающая ДВС, турбокомпрессор и механические передачи, упомянутый турбокомпрессор включает механически соединенные компрессор и нагнетательную турбину, выход компрессора пневматически соединен через впускной коллектор с ДВС, вход нагнетательной турбины пневматически соединен через выпускной коллектор с ДВС, а выход нагнетательной турбины пневматически соединен с двухканальной силовой турбиной, которая через механические передачи механически соединена с ДВС.

Упомянутая двухканальная силовая турбина включает первый и второй каналы, вход первого канала пневматически соединен через выпускной коллектор с ДВС, вход второго канала последовательно через нагнетательную турбину, выпускной коллектор пневматически соединен с ДВС, выход первого канала и выход второго канала совместно пневматически подключены к системе последующей обработки отработавших газов.

Площади живого сечения упомянутых первого и второго каналов силовой турбины должны быть меньше площади живого сечения нагнетательной турбины.

Выход упомянутого компрессора последовательно через интеркулер, впускной коллектор пневматически соединен с ДВС.

Вход упомянутого первого канала силовой турбины последовательно через перепускной клапан, перепускной канал, выпускной коллектор пневматически соединен с ДВС.

Упомянутый перепускной клапан представляет собой клапан с поворотной заслонкой с электроприводом, и его блок управления сигнально соединен с ECU (блоком управления двигателем) ДВС, который сигнально соединен с ДВС, еще и датчиком давления, предусмотренным во впускном коллекторе.

Способ управления системой двухканальной силовой турбины, включающий следующие операции:

Часть отработавших газов ДВС последовательно проходит через выпускной коллектор, нагнетательную турбину и поступает во второй канал силовой турбины, а другая часть отработавших газов через выпускной коллектор попадает в первый канал силовой турбины, и отработавшие газы из первого канала и второго канала силовой турбины совместно через систему последующей обработки отработавших газов выбрасываются в атмосферу.

В случае когда отработавшие газы, идущие во второй канал, проходят через нагнетательную турбину, нагнетательная турбина приводит в действие компрессор, который всасывает и сжимает воздух, и сжатый воздух последовательно через выход компрессора, впускной коллектор попадает в ДВС.

В случае когда отработавшие газы из первого канала и второго канала силовой турбины через систему последующей обработки отработавших газов выбрасываются в атмосферу, отработавшие газы, проходящие через первый и второй каналы, совместно приводят в действие двухканальную силовую турбину, которая преобразует энергию отработавших газов в механическую энергию и через механические передачи передает преобразованную механическую энергию в ДВС, в результате выходная мощность двигателя повышена, и энергия отработавших газов ДВС рекуперирована.

Выход упомянутого компрессора последовательно через интеркулер, впускной коллектор пневматически соединен с ДВС.

Понятие "сжатый воздух последовательно через выход компрессора, впускной коллектор попадает в ДВС" подразумевает, что сжатый воздух сначала через выход компрессора поступает в интеркулер на охлаждение, далее охлажденный сжатый воздух через впускной коллектор попадает в ДВС.

Вход упомянутого первого канала силовой турбины последовательно через перепускной клапан, перепускной канал, выпускной коллектор пневматически соединен с ДВС.

При низких оборотах и нагрузке на двигатель: перепускной клапан закрыт, в это время отработавшие газы двигателя последовательно через выпускной коллектор, нагнетательную турбину поступают во второй канал силовой турбины, приводя двухканальную силовую турбину в действие.

При высоких оборотах и большой нагрузке на двигатель: перепускной клапан открыт, в это время понятие "другая часть отработавших газов через выпускной коллектор попадает в первый канал силовой турбины" подразумевает, что другая часть отработавших газов двигателя последовательно через выпускной коллектор, перепускной канал, перепускной клапан попадает в первый канал силовой турбины.

По сравнению с известными техническими решениями положительные эффекты настоящего изобретения заключаются в том, что

1. Согласно настоящему изобретению "Система двухканальной силовой турбины и способ ее управления", упомянутая двухканальная силовая турбина включает первый и второй каналы, вход первого канала пневматически соединен через выпускной коллектор с ДВС, вход второго канала последовательно через нагнетательную турбину, выпускной коллектор пневматически соединен с ДВС, выход первого канала и выход второго канала совместно пневматически подключены к системе последующей обработки отработавших газов, такие технические решения не только придают системе простую структуру, но и в процессе работы позволяют отработавшим газам, проходящим через первый и второй каналы, совместно приводить в действие двухканальную силовую турбину, которая преобразует энергию отработавших газов в механическую энергию, и через механические передачи передает преобразованную механическую энергию в ДВС, в результате выходная мощность двигателя повышена, и энергия отработавших газов ДВС рекуперирована. Таким образом, настоящее изобретение не только обладает простой структурой, но и позволяет повысить коэффициент рекуперации энергии отработавших газов ДВС.

2. Согласно настоящему изобретению "Система двухканальной силовой турбины и способ ее управления", площадь живого сечения второго канала силовой турбины меньше площади живого сечения нагнетательной турбины, что приводит к увеличению скорости вращения нагнетательной турбины, соответственно, и увеличению скорости вращения компрессора, повышению давления входного воздуха. Таким образом, настоящее изобретение улучшает характеристики двигателя при низких оборотах и нагрузке.

3. Согласно настоящему изобретению "Система двухканальной силовой турбины и способ ее управления", вход первого канала силовой турбины последовательно через перепускной клапан, перепускной канал, выпускной коллектор пневматически соединен с ДВС, перепускной клапан представляет собой клапан с поворотной заслонкой с электроприводом и его блок управления сигнально соединен с ECU ДВС, который сигнально соединен с ДВС, еще и датчиком давления, предусмотренным во впускном коллекторе, при этом ECU ДВС может в соответствии с оборотами и нагрузкой регулировать перепускной клапан для получения оптимального значения угла открытия и обеспечения оптимальных характеристик на всех режимах работы двигателя. Таким образом, настоящее изобретение позволяет получить оптимальные характеристики для двигателя.

Перечень чертежей

Фиг. 1 - структурная схема системы в соответствии с настоящим изобретением,

где 1 - ДВС, 11 - впускной коллектор, 12 - выпускной коллектор, 13 - датчик давления, 2 ECU ДВС, 3 - турбокомпрессор, 31 - компрессор, 32 - нагнетательная турбина, 4 - перепускной канал, 5 - перепускной клапан, 6 - механические передачи, 7 - двухканальная силовая турбина, 71 - первый канал силовой турбины, 72 - второй канал силовой турбины, 8 - система последующей обработки отработавших газов, 9 - интеркулер.

Пунктирные линии на фиг. 1 обозначают сигнальное соединение, жирные сплошные линии обозначают механическое соединение, а тонкие сплошные линии обозначают пневматическое соединение.

КОНКРЕТНЫЕ ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже будет подробно описано настоящее изобретение со ссылкой на фиг. 1 и конкретные примеры осуществления.

Как показано на фиг. 1, система двухканальной силовой турбины, включающая ДВС 1, турбокомпрессор 3 и механические передачи 6, упомянутый турбокомпрессор 3 включает механически соединенные компрессор 31 и нагнетательную турбину 32, выход компрессора 31 пневматически соединен через впускной коллектор 11 с ДВС 1, вход нагнетательной турбины 32 пневматически соединен через выпускной коллектор 12 с ДВС 1, а выход нагнетательной турбины 32 пневматически соединен с двухканальной силовой турбиной 7, которая через механические передачи 6 механически соединена с ДВС 1.

Упомянутая двухканальная силовая турбина 7 включает первый канал 71 и второй канал 72, вход первого канала 71 пневматически соединен через выпускной коллектор 12 с ДВС 1, вход второго канала 72 последовательно через нагнетательную турбину 32, выпускной коллектор 12 пневматически соединен с ДВС 1, выход первого канала 71 и выход второго канала 72 совместно пневматически подключены к системе последующей обработки отработавших газов 8.

Площади живого сечения упомянутых первого канала 71 и второго канала 72 силовой турбины должны быть меньше площади живого сечения нагнетательной турбины 32.

Выход упомянутого компрессора 31 последовательно через интеркулер 9, впускной коллектор 11 пневматически соединен с ДВС 1.

Вход упомянутого первого канала 71 силовой турбины последовательно через перепускной клапан 5, перепускной канал 4, выпускной коллектор 12 пневматически соединен с ДВС 1.

Упомянутый перепускной клапан 5 представляет собой клапан с поворотной заслонкой с электроприводом, и его блок управления сигнально соединен с ECU 2 ДВС, который сигнально соединен с ДВС 1, еще и датчиком давления 13, предусмотренным во впускном коллекторе 11.

Способ управления системой двухканальной силовой турбины, включающий следующие операции:

Часть отработавших газов ДВС 1 последовательно проходит через выпускной коллектор 12, нагнетательную турбину 32 и поступает во второй канал 72 силовой турбины, а другая часть отработавших газов через выпускной коллектор 12 попадает в первый канал 71 силовой турбины, и отработавшие газы из первого канала 71 и второго канала 72 силовой турбины совместно через систему последующей обработки отработавших газов 8 выбрасываются в атмосферу.

В случае когда отработавшие газы, идущие во второй канал 72, проходят через нагнетательную турбину 32, нагнетательная турбина 32 приводит в действие компрессор 31, который всасывает и сжимает воздух, и сжатый воздух последовательно через выход компрессора 31, впускной коллектор 11 попадает в ДВС 1.

В случае когда отработавшие газы из первого канала 71 и второго канала 72 силовой турбины через систему последующей обработки отработавших газов 8 выбрасываются в атмосферу, отработавшие газы, проходящие через первый канал 71 и второй канал 72, совместно приводят в действие двухканальную силовую турбину 7, которая преобразует энергию отработавших газов в механическую энергию и через механические передачи 6 передает преобразованную механическую энергию в ДВС 1, в результате выходная мощность двигателя повышена, и энергия отработавших газов ДВС рекуперирована.

Выход упомянутого компрессора 31 последовательно через интеркулер 9, впускной коллектор 11 пневматически соединен с ДВС 1.

Понятие "сжатый воздух последовательно через выход компрессора 31, впускной коллектор 11 попадает в ДВС 1" подразумевает, что

сжатый воздух сначала через выход компрессора 31 поступает в интеркулер 9 на охлаждение, далее охлажденный сжатый воздух через впускной коллектор 11 попадает в ДВС 1.

Вход упомянутого первого канала 71 силовой турбины последовательно через перепускной клапан 5, перепускной канал 4, выпускной коллектор 12 пневматически соединен с ДВС 1.

При низких оборотах и нагрузке на двигатель: перепускной клапан 5 закрыт, в это время отработавшие газы двигателя 1 последовательно через выпускной коллектор 12, нагнетательную турбину 32 поступают во второй канал 72 силовой турбины, приводя двухканальную силовую турбину 7 в действие.

При высоких оборотах и большой нагрузке на двигатель: перепускной клапан 5 открыт, в это время понятие "другая часть отработавших газов через выпускной коллектор 12 попадает в первый канал 71 силовой турбины" подразумевает, что другая часть отработавших газов двигателя 1 последовательно через выпускной коллектор 12, перепускной канал 4, перепускной клапан 5 попадает в первый канал 71 силовой турбины.

Принцип настоящего изобретения описан ниже:

1. В системе двухканальной силовой турбины нагнетательная турбина 32 и двухканальная силовая турбина 7 по размерам одинаковы или схожи; площади живого сечения первого канала 71 и второго канала 72 силовой турбины могут быть как одинаковы, так и неодинаковы.

2. Компрессор 31: как показано на фиг. 1, выход компрессора 31 последовательно через интеркулер 9, впускной коллектор 11 пневматически соединен с ДВС 1; в процессе работы, когда отработавшие газы, идущие во второй канал 72, проходят через нагнетательную турбину 32, нагнетательная турбина 32 приводит в действие компрессор 31, который всасывает и сжимает свежий воздух для повышения удельной мощности двигателя, и сжатый воздух через выход компрессора 31 поступает в интеркулер 9 на охлаждение, далее охлажденный сжатый воздух через впускной коллектор 11 попадает в ДВС 1 и принимает участие в сгорании.

3. Перепускной клапан 5: как показано на фиг. 1, перепускной клапан 5 представляет собой клапан с поворотной заслонкой с электроприводом, и его блок управления сигнально соединен с ECU 2 ДВС, который сигнально соединен с ДВС 1, еще и датчиком давления 13, предусмотренным во впускном коллекторе 11; в процессе работы датчик давления 13, установленный во впускном коллекторе 11, передает сигналы о давлении входного воздуха, оборотах и нагрузке двигателя ECU 2 ДВС, который по получению обрабатывает сигналы с учетом соотношений давления входного воздуха, оборотов и нагрузки двигателя и выдает исполнительный сигнал механизму привода перепускного клапана 5: при низких оборотах и нагрузке на двигатель перепускной клапан 5 закрыт; при высоких оборотах и большой нагрузке на двигатель перепускной клапан 5 открыт.Таким образом, ECU 2 ДВС может в соответствии с оборотами и нагрузкой регулировать перепускной клапан 5 для получения оптимального значения угла открытия и обеспечения оптимальных характеристик на всех режимах работы двигателя.

Пример 1

Как показана на фиг. 1, система двухканальной силовой турбины, включающая ДВС 1, турбокомпрессор 3 и механические передачи 6, упомянутый турбокомпрессор 3 включает механически соединенные компрессор 31 и нагнетательную турбину 32, выход компрессора 31 пневматически соединен через впускной коллектор 11 с ДВС 1, вход нагнетательной турбины 32 пневматически соединен через выпускной коллектор 12 с ДВС 1, а выход нагнетательной турбины 32 пневматически соединен с двухканальной силовой турбиной 7, которая через механические передачи 6 механически соединена с ДВС 1; упомянутая двухканальная силовая турбина 7 включает первый канал 71 и второй канал 72, вход первого канала 71 пневматически соединен через выпускной коллектор 12 с ДВС 1, вход второго канала 72 последовательно через нагнетательную турбину 32, выпускной коллектор 12 пневматически соединен с ДВС 1, выход первого канала 71 и выход второго канала 72 совместно пневматически подключены к системе последующей обработки отработавших газов 8.

В соответствии с вышеуказанным техническим решением способ управления системой двухканальной силовой турбины включает следующие операции:

Часть отработавших газов ДВС 1 последовательно проходит через выпускной коллектор 12, нагнетательную турбину 32 и поступает во второй канал 72 силовой турбины, а другая часть отработавших газов через выпускной коллектор 12 попадает в первый канал 71 силовой турбины, и отработавшие газы из первого канала 71 и второго канала 72 силовой турбины совместно через систему последующей обработки отработавших газов 8 выбрасываются в атмосферу; в случае когда отработавшие газы, идущие во второй канал 72, проходят через нагнетательную турбину 32, нагнетательная турбина 32 приводит в действие компрессор 31, который всасывает и сжимает воздух, и сжатый воздух последовательно через выход компрессора 31, впускной коллектор 11 попадает в ДВС 1; в случае когда отработавшие газы из первого канала 71 и второго канала 72 силовой турбины через систему последующей обработки отработавших газов 8 выбрасываются в атмосферу, отработавшие газы, проходящие через первый канал 71 и второй канал 72, совместно приводят в действие двухканальную силовую турбину 7, которая преобразует энергию отработавших газов в механическую энергию и через механические передачи 6 передает преобразованную механическую энергию в ДВС 1, в результате выходная мощность двигателя повышена, и энергия отработавших газов ДВС рекуперирована.

Пример 2

Проводят аналогично описанному в примере 1 за исключением того, что,

как показано на фиг. 1, площади живого сечения упомянутых первого канала 71 и второго канала 72 силовой турбины должны быть меньше площади живого сечения нагнетательной турбины 32; выход упомянутого компрессора 31 последовательно через интеркулер 9, впускной коллектор 11 пневматически соединен с ДВС 1;

понятие "сжатый воздух последовательно через выход компрессора 31, впускной коллектор 11 попадает в ДВС 1" подразумевает, что сжатый воздух сначала через выход компрессора 31 поступает в интеркулер 9 на охлаждение, далее охлажденный сжатый воздух через впускной коллектор 11 попадает в ДВС 1.

Пример 3

Проводят аналогично описанному в примере 1 за исключением того, что,

как показано на фиг. 1, вход упомянутого первого канала 71 силовой турбины последовательно через перепускной клапан 5, перепускной канал 4, выпускной коллектор 12 пневматически соединен с ДВС 1; упомянутый перепускной клапан 5 представляет собой клапан с поворотной заслонкой с электроприводом, и его блок управления сигнально соединен с ECU (блок управления двигателем) 2 ДВС, который сигнально соединен с ДВС 1, еще и датчиком давления 13, предусмотренным во впускном коллекторе 11.

При низких оборотах и нагрузке на двигатель перепускной клапан 5 закрыт, в это время отработавшие газы двигателя 1 последовательно через выпускной коллектор 12, нагнетательную турбину 32 поступают во второй канал 72 силовой турбины, приводя двухканальную силовую турбину 7 в действие; при высоких оборотах и большой нагрузке на двигатель перепускной клапан 5 открыт, в это время понятие "другая часть отработавших газов через выпускной коллектор 12 попадает в первый канал 71 силовой турбины" подразумевает, что другая часть отработавших газов двигателя 1 последовательно через выпускной коллектор 12, перепускной канал 4, перепускной клапан 5 попадает в первый канал 71 силовой турбины.

Реферат

Изобретение касается системы силовой турбины, точнее системы двухканальной силовой турбины и способа ее управления, относится к технике рекуперации энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Система двухканальной силовой турбины и способ ее управления включают двигатель внутреннего сгорания (ДВС), турбокомпрессор и механические передачи; турбокомпрессор включает нагнетательную турбину и компрессор, пневматически соединенный через впускной коллектор с ДВС; ДВС через механические передачи механически соединен с двухканальной силовой турбиной; двухканальная силовая турбина включает первый канал, вход которого пневматически соединен через выпускной коллектор с ДВС, и второй канал, вход которого последовательно через нагнетательную турбину, выпускной коллектор пневматически соединен с ДВС, выходы первого и второго каналов совместно подключены к системе последующей обработки отработавших газов; отработавшие газы, проходящие через первый и второй каналы, совместно приводят двухканальную силовую турбину в действие. Настоящее изобретение имеет простую структуру, обеспечивает высокий коэффициент рекуперации энергии отработавших газов ДВС, улучшает характеристики двигателя при низких оборотах и нагрузке, придает двигателям оптимальные характеристики на всех режимах работы. 2 н.п. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула