Силовая установка - SU1055344A3

Изобретение относится к TpairtcnopTному машийостроению, а именно к силовым установкам,содержапцад двигатель внутреннего сгорания с надаувом.

Известна силовая установка, содер- 5 жащая двигатель внутреннего сгорания с турбокомпрессором, компрессор которого подключен к ресиверу через воздуховод , а Фурбина через дополнительную камеру сгорания сообщена с выхлоп 0 ным коллектором двигателя и с постоянно открытым каналом перепуска сжато го воздуха из воздуховода, и газовоздушный теплообменник, омываемый отработавшими газами.15

В известной установке газовоздушый теплообменникiустановлен в постоянно откатом канале перепуска сжатого воздуха. Это позволяет за- глушить шум выхлопа и Утшщзиро- 20 вать тепло отработавших газов и тем самым уменьшить подачу топлива в доПолнительнзгю камеру сгорания на режиах холостого хода двигателя и маых нагрузок 1) .25

Однако с понижением степени сжатия двигателя и повышением давления наддува эффективность подогрева возуха при таком расположении теплооб енника снижается, в результате че- зо Ро снижается влияние у гшшзации теп- а отработавших газов на экономичность установки.

Кроме того, установка должна быть снабжена исполнительным и регулировечным устройствами, которые отключают устройства для охлаяздения воздуха при з апуске и работе на малых оборотах, а также согласовывают стеJC Л

пень охлаждения воздуха с частотой вращения вала двигателя и давлением наддува.

Цель изобретения - повышение экономичности установки.

; Поставленная цель достигается тем, что в силовой установке, содержащей двигатель внутреннего сгорания с турбокомпрессором, компрессор которого подключен к ресиверу двигателя через воздуховод, а турбина через дополнительную камеру сгорания сообщена с шяхлопным коллектором двигателя не постоянно открытым каналом перепуска сжатого воздуха из воздуховода, и газовоздушный теплообменник , омываемый отработавшими газами, газовоздушный теплообменник установлен в воздуховоде между компрессором и каналом перепуска сжатого воздуха.

В воздуховоде между каналом перепуска и ресивером двигат.еЛя установлен воздухоохладитель

Ресивер и вьпшопной коллектор двигателя соединены между собой при Помощи перепускной трубы для выпуска воздуха при неработающем двигателе .

На фиг. I приведена принципиальная схема установки, в которой показаны основные блоки двигателя; на фиг. 2- зависимость изменения температуры в газовоздушном тракте даигателя по фиг. ; на фиг. 3- схематическая диаграмма, иллюстрирующая трудность согласования характеристики компрессора с нижней частью характеристики двигателя, т.е. в зон работы компрессора с малой степенью повьш1ения давления и с малым расходом топлива в двигателе, а также Улучшение, достигаемое благодаря данному изобретению.

Двигатель 1 внутреннего сгорания рассчитан на работу с переменными режимами при четырех зна ениях скорости поршня и степени сжатия двенадцат Известно, что такой двигатель не может быть запущен без наддува обычными средствами. Турбокомпрессор для наддува двигателя включает компрессор 2 и турбину 3, соединенные валом 4. Пусковой двигатель 5 связан с валом 4 тур бокомпрессора с помощью муфты 6 и приводит во вращение компрессор. Ком прессор 2 рассчитан на степень повышения давления предпочтительно больше шести. Для обеспечения этого компрессор может быть сверхзвуковым, мо ноблочШ)М, одноступенчатым или многоступенчатым , а также двухблочным с промежуточным охлаждением или без нега. Воздуховод 7 связывает компрессор 2 с ресивером 8 двигателя . Канал 9 перепуска сзкг1тбго воздуха из воздуховода связан с дополнительной кам рой сгорания 10. В воздуховоде между компрессором и каналом 9 установлен газовоздуйный теплообменник 11, а между каналом 9 и ресивером 8 воздухоохладитель 12. Канал 9 постоянно открыт и снабжен дросселирукнцнм устройством 13, представлякнцим собой участок с постепенно изменяющимся проходнвш сечением, управление которым осуществляется автоматически в зависимости от разности давлений на выходе из компрессора и на входе в турбину. Предста.вленное схематически на фиг, 1 дросселирукяцее устройство не является единств енным, возможным вариантом его выполнения. Турбина 3 турбокомпрессора через дополнительную камеру сгоранияЮ сообщена с выхлопным коллектором 14 двигателя 1 и с каналом 9 перепуска Возду хоохладитель 12 выполнен с охлаждением атмосферным воздухом, ко торый подается вентилятором 15 с при водом от двигателя через редуктор 16. Передаточное отношение редуктора устанавливается исполнительным устройством 17, например электрическим чувствительным к одному или нескольким параметрам работы двигателя , такими как температура и/или дав ление в ресивере 8, измеряемыми при помонш датчика 18. Воздухоохладитель может быть также с охлаждением водой из системы охлаждения двигателя и регулирование температуры охлажденного воздуха может достигаться регулированием расхода воды через возj yxo охладитель. 1 44 Выхлоп турбины связан с атмосферой через теплообменник 11 и выхлопное устройство 19. Ресивер 8 и выхлопной коллектор 14 двигателя могут быть соединены между собой при помощи перепускной трубы 20 для выпуска воздуха при неработающем двигателе. В трубе 20 может быть установлен вентиль 21 с ручным или автоматическим управлением . На входе в компрессор может быть установлен дополнительный датчик 22 давления. Предлагаемая установка работает следующим образов. Перед запуском двигатель 1 не работает . Производят запуск турбокомпрессора с помощью шнекового двигателя 5 ив то же время начинают подачу топлива в дополнительную камеру сгорания 10. Количество топлива, впрыскиваемого в камеру 10, может регулироваться автоматически в зависимости от расхода перепускаемого воздуха . После того, как турбокомпрессор вьянел на нормальный режим, в камеру 10 поступает максимальное количество топлива, воздух на выходе из теплообменника 11 находится под давлением и прогрет до высокой температуры , в рассмотренном вьипе случае порядка 200®С. Этой температуры достаточно, чтобы позволить осуществить запуск двигателя 1 с помощр иускового мотора {ие показан). Щда этом sesiissrхоохлаяитель 12, не участвуя в реботе , представляет собой эл«мейт тепловой инерщри, которая может :быть достаточной, чтобы в холодный период воздух, поступающий в ресивер 8 двигателя, охлаждался до точки , -при которой невозможен его запуск . В варианте осуществления изобретения , представленном на фиг., для устранеш1я этого- недостатка МОШ1О использовать перепад давлений, создавае1иий дросселирукнцим устройством 13. Для этого предусмотрена перепускная труба 20, имеющая небольшой вгиутренний диаметр, причем в ней .имеется сужакипщйся участок с ручным или автоматическим вентилем 21 . Часть разогретого воздуха, , поступшощвго. из теплообменника II, циркулирует через воздухоохладитель 12, ресивер 8, выхлопной коллектор 14 и разогревает теплообменник. В результате этого запуск становится возможным через несколько секунд ПО ;сле того, как турбокомпрессор вышел на полный рабочий режим. После запуска двигателя вентиль 21 закрывают либо вручную, либо автоматически (например, за счет повышения давления масла в циркуляционной смазочной системе мотора). Точно также во время работы с пониженнь числом оборотов воздухоохладителе 12 остается отключенным (мож но предусмотреть исполннтельное уст . ройство 17, которое не включает в рабочее состояние вентилятор 15, по ка не будет достигнуто заранее заданное значение давления). Подача топлива, впрыскиваемого в дополнительную камеру 10, поддерживается на таком уровне что давленне наддува двигателя оказывается вьше некоторого порогового или базового .значения, ниже которого в цилиндрах двигателя при сжатии не происходит самовоспламенения. Это базовое знд чение , очевидно, должно быть больше , чем величина(««л. . После включения двигателя | под нап грузку расход топлива, впрыскиваемого в цилиндры, возрастает и, соотв етственно, количество, топлив а, впрыскиваемого в дополнительную камеру сгорания, уменьшается, пока не станет достаточным для поддерж 1ния устойчивого пламени которое существует даже тогда,когда двйгЬтеяь р ботае в номинальной рабочей точке. По мере возрастания нагрузки вступает в работу вариатор скорости обеспечивающий при заданной скороети двигателя нужную скорость венти ятора . Если производится отключение двигателя п;ри его работе на полной скорости (например, при крутом спуске С торможением), соответствзпощие рабочие точки компрессора и двигателя смещаются по характеристике }{ и С (фиг. 3) к началу а в камеру сгорания подается значительное количество топлива для пода ержания давления наддува минимально необходимым, чтобы позволить, осуществлять самовоспла менение и обеспечивать удовлетворительный перепуск сцелью сжигания топлива, впрыскиваемого в дополнительную камеру. Одновременно -включается в работу устройство I7 с целью уменьшения до минимума передаточного отношения в редукторе 16 вентилятора 15 или останавливает, его. Влиянне теплообменника 1 на расход топлива в дополнительной камере сгорания аналогивдо регенерации р газотурбинных установках и его эффект пояснений не. требует. При использованин компрессора 2 в режиме с перепуском небольшого количества воздуха при невысоком отношении давлений (например, 2) и при адиабатическом КГЩ 0,75 удается снизить расход топлива в дополнительной камере сгорания приблизительно вдвое, причем коэффициент полезного действия теплообменника не превьш1ает.60%. Наличие теплообменника позволяет , кроме того, в значительной мере устранить проблему поддержания температуры воздзпса на уровне, обеспечивающем самовоспламенение в цилиндрах двигателя. Преимущества предлагаемого уст-/ ройства иллюстрируются при помощи фиг. 2, где показана зависимость тем пературы в различных точках двигатейя в зависимости от отношения давления в компрессоре (Р - давление на &ходе в компрессор, т.е« фактически, атмосферное давленне, а Pg. - давление на выходе из компрессора ) . Кривые, приведенные на фиг. 2, показывают температуру Т воздуха на вькод е из компрессора (штрих-пунктир); температуру Ту воздуха на выходе из теплообменника (прерьшистая черта); температуру газов Щ на выходе из турбины и на входе в теплообменник (сплошная черта). Эти кривые соот (ветствуют температуре окружающего воздуха с,политропным КПД 0,80 для турбины и компрессора и относительной потерей мощности между компрессором и турбиной 10% (что определяется дросселирующим устройством }З). Кривая т|, отражающая влияние отношения давлений, соответствует коэффициенту полезного действия воздухоохладителя 12, равному 0,8 (этот коэффициент определяется как отношение разницы температуры воздуха на входе и выходе к разнице . между температурой газа на входе и температурой воздуха на входе). Обеспечение эффективности, равной Oi8, вызывает значительные затруд нения. Поскольку в распоряжении имеется ограниченный объем, результаты анализа не изменятся и при менее высокой эффективности, напр1шер от 0,5 до 0,6. Считая эффективность воздухоохладителя постоянной, можно убедиться, что температура воздуха, выходящего из теплообменника I1 и поступакицего в воздухоохладитель 12, очень мало изменяется при изменении количества дополнительного ввода топлива . Эта температура не зависит от ск рости вращения двигателя при посто .янной мощности и, как следствие,, от наличия перепуска. Т изменяется примерно в пределах 185-215 с по мер изменения отношения давлений, причем в то же время расход воздуха через компрессор изменяется с 1,5 до 7. . Точно, также видны изменения темI пературы возду а на выходе из компрессора в той- же области отношений давлений, в котором температура воз росла приблизительно с 10 до . Из графика видно, что разогрев, создаваемый теплообменником 12, сосредотачивается в области низких значений давления наддува, т.е..когда двигатель нуждается в подогреве воздуха, дпя обеспечения самовоспламенения топлива, и когда значительное количество тепловой энергии долж но быть введено за счет выхлопных газов мотора в воздух, чтобы обеспечить работу турбокомпрессорной группы в автономном режиме. В зоне малых значений подачи топлива экoнo вiя топлива оказывается весьма высокой, так как, происходит увеличение температуры вьослопных газов двигателя по сравнени1р с температурой воздзгха а также воздух, направляемый в дополнительную камеру сгорания 10, ока зывается уже нагретым в теплообменнике П. Напротив доля переноса тепла от газовой турбины к воздуху уменьшается по мере того, как возрастает по дача топлива, .Хкогда для двигателя отсутствует необходимость в разогреве вводимого воздуха и когда выхлопные .газы двигателя располагают

меньших размеров, так как для двигателя с такими связями теплообменник 12 работает уже не в режиме доэнергией , которая достаточна для поддержания режима работы турбины. Предлагаемая система является саморегулирующейся в том сьшсле, что температура воздуха на выходе из воздухаохладителя I2 изменяется значительно меньше, чем температура воздуха на входе. У |тёш1ообменника с меньшей эффективностш кривая от Р« /R проходит круче, зависящая кривую Tg: , В каждом слупересекая чае необходимо определять Наиболее экономичное соотношение между объемеА Теплообменника, от которого зависит экономичность, и количеством тепла, полученного при регенерации. При работе с малым отношением давлений и небольшим расходом воздуха, т.е. при пониженном числе оборотов двигателя, редуктор, обеспечивающий передаточное отношение, регулируется на основе управляющих сигналов датчика 18 и/шш датчика 22 и обеспечивает минимальное охлаждение, иногда даже за счет остановки вентилятора 15 (в том случае, если он независим и не служит для охлаждения двигателя). Напротив, по мере увеличения отношения давлений при нагрузке двигателя включается в работу воздушное охлаждшощее устройство . Оно температуру вводимого двигателя воздуха до значения , обеспечивающего хорошее заполнение , но не охлаждая воздух, подаваемЕЛй в доложштельную камеру сг.орания . Кривые фиг. 2, соответствующие установке, компрессор которой имеет КПД 0,8, т.е. относительно высокое значение КПД, позволяют увидеть и другое-преимущество данного изобретения при работе на повышенной мощно сти вблизи точки номинальной мощности . На двигателях классического типа , -имекнцих воздушюе охлаждение воздуха на входе в двигатель, воздухоохладитель должен иметь габариты и производательностьв зависимости от максимальной отводш4ой теаповой энергии, Соответствующей максималь-, ной Ш1ЩНОСТИ двигателя. Установка, представленная на фиг. I, может включать охлаждакщее устройство меньшей производительности и, конечно, же полнительно охлаждающего устройства По существу на фиг, 2 можно видеть, что тe mepaтypa Тл отходящих газов турбины становится ниже температуры Т2 воздуха на выходе из компрессора 2 после того, как достигнуто отношение давлений, равное приблизитель , но шести. Роль теплообменника 12 становится все более заметной по ме ре возрастания отношения давлений. Это преимущество не может быть сведено на нет за счет того, что воздух, поступающий в камерусгорания 10, подвергается одновременному охлаждению в .теплообменник II, при работе двигателя с большой мощног CTbio, так как в этом случае располагаемой энергии выхлопных газов двигателя достаточно для поддержания работы турбины без сжигания топ лива в камере 10. Если КПД компрессора меньше (например 0,75), те ература на выходе из турбины может оставаться вьш1е температуры воздуха на вьпсоде из ко прессора практически при всех режимах работы двигателя, однако зто не исключает всех других преимздцеств этой схемы, ; Наличие теплообменника М решает проблему, возникающую в том случае, когда двигатель внутреннего сгорани I выполнен поршневым (в особенности четырехскоростным). Эта рроблема ясна из фиг. 3, где представлено из менение потребЛ1яемого двигателем во духа (кривая М)й количе с гвом воздуха , проходящим через компрессор (кр вая с), в зависимости от отношения давлений. , Средства ввода дополЕнительного ввода топлива подбираются таЛ, чтоб они могли работать в сочетании с двигателем-1, когда он работает в режиме номинальной мощности (Pff на фиг. З). Работа в таком сочетании требует, чтобы компрессор 2 помимо воздуха для двигателя давал некоторое избыточное количество воздуха порядка 5-15%, которое предназначено: поддерживать точно установленный перепад давления между выходом компрессора и входом турбины 3; подавать воздух для дожигания в дополнительной камере сгорания 10; обеспечить охлаждение разогретьгх частей мотора путем циркуляции воздуха; создавать необходимую зону за паса с учетом колебаний условий окружающей температуры и режима работы .Если температура воздуха, всасываемого двигателем, поддерживается фактически на постоянном уровне, то кривая зависимости расхода воздуха Гцавление перед двигателем) представляет собой, при постоянной скорости прямую, проходящую через начало. На фиг. 3 сплошной линией показана кривая М, соответствующая максимальной скорости двигателя 1 (например , 2500 оборотов в минуту) при тем пературе воздуха . Напротив, рабочая точка турбокомпрессора смещается (как в случае газовой турбины) на кривую С, вогнутость которой обращена к оси давле- , НИИ вблизи линии помпажа (обозначена смешанной чертой) для получения повьш1енной производительности, причем она проходит через точку номинального совместимого режима Р, которая соответствует номинальному давлению и расходу воздуха на 5-15%, превышающему количество, потребляемое двигателем , а также через точку, соответствукяцую и Pj /Р 1. Линии С и М обязательно пересекаются при отношении давлений ff,, . Если давление наддува снижается ниже этого значения И, то направление циркуляции , в канале изменяется на обратное , дополнительная камера перестает действовать и потери мощности ерёстают быть определенной и удобной для контролирования. После прекращения действия дополнительной камеры оказьшается невозможным обеспечить разгон двигателя. Решение, устраняющееупомянутый риск, состоит в том, что управлять расходом топлива, поступающего в дополнительную камеру сгорания, чтобы за счет дополнительного ввода топлива исключить снижешГе до уровня 1 . Но такое решение ведет к чрезмерному расходованию топлива при снижении частоты вращения, когда поддержание значения lii при самовоспламенении от сжатия в двигателе 1. Наличие теплообменника 11 в воздушном потоке, поступающем в двигатель I, обеспечивает такое решение названной проблемы, которое не созает какого-либо противоположного эффекта на установках, не имеющих пойтоянно открытого канала, перепуска сжатого воздуха, что ограничивает расход воздуха мотором при малой мощ ности и что связано с явлением, которое можно назвать тепловой задержкой . Такое ограничение не вызывает никаких отрицательных последствий для двигателя, так как достаточным оказывается часть воздуха, поступающего из компрессора, чтобы кислорода хватило для сжигания небольшого количества топлива, вводимого в дополнительную камеру в рабочих условиях . Из фиг. 2 видно, что при малой мощности в функциональных зонах, где теплопередача между выхлопными газами и вводимым воздухом велика, мож но температуру воздуха, вводимого в двигатель, поддерживать по меньшей мере равной при исключении действия воздухоохладителя (в то же время при нагрузке стремятся поддерживать температуру воздуха, поступающего в двигатель, на значительно меньшем уровне, например порядка у двигателя со степенью сжатия - 9). Тепловая эффективность в рабочей зонев результате уменьшение объемного расхода воздуха соответствует отношению: 100-4-273 0,8 для окружающей темпер 185+273 туры - 20 С. Практически,, воздействие теплооб менника 11 вызывает деформацию нижней части кривой Рцц, причем участок близкий к началу, приближается к ли нии М, соответствующей температуре воздуха С на входе в двигатель. Точка пересечения с характеристикой С также находится заметно ниже. Эта точка соответствует температуре 185 на входе в двигатель, соответ ствует значению « порядка 1,2, а не 1,5. Таким образом, одновременно удается достичь два положительных результата: экономится топливо при малой мощности, можно иметь стартер для двигателя уменьшенной мош;ности и уменьшенных размеров. В типичном случае дизель-мотор н 800 л.с., 2500 об/мин, с компрессором , имеющим номинальное давление сжатия 4,8, и изоэнтропный КПД 0,75 сжигание топлива в дополнительной камере по мере снижения оборотов сн . жается от отношения 2,4 до 1 (1,91 за счет разогрева в теплообменнике, работающим на регенератор с эффективностью 0,6 и 1,25 за счет тепловой задержки). Если речь идет о двухтактном двигателе, характеристика М (при постоянной скорости и постоянной температуре входящего воздуха) не проходит через начало. По существу пропускаемое количество воздуха сводится к нулю, если отношение Р./Р становится равным I. Проблемы согласования при низкой мощности или низкого согласования не существует, но остаются другие преимущества данного изобретения, такие, о которых речь шла выше. Температура воздуха, поступающего из регенератора, изменяется мало в зависимости от отношения давлений Рл /Рц . Эта температурка, например, несколько ниже для случая, показ а;шо го на (г. 2, когда температура окружающего воздуха равна - 20 С. Эта температура будет несколько ниже 300 С, если температура окружаю .щего воздуха равна +40 С. Эта температура будет более высеве ой в том случае , если компрессор установки имеет изоэнтропный КПД более низкий (например , 0,75 вместо 0,8). При снижении оборотов и при малой мощности этот воздух может быть введен в дви гатель без охлаждения. При нормальном режиме, наоборот, температура воздуха должна поддерживаться на менее высоком уровне, например для двигателя, степевь сжатия которого равна 9. Ниже дано описание способа регулирования воздухоохладителя 12, позволяющего получить названный результат . Тепловая энергия Q у, , отводимая в воздухоохладителе, проиорциональ- на пР2(Т2-Тл), где п - скорость мотора .. Если предположить, что Tj ос- . тается приблизительно равной 200 С, ai температура Тз должна быть доведена до 100°С, то энергия пропорциональна1 скорости п и давлению наддува Рп. Таким образом, достаточно в воздухоохладителе получить эффект тивность, пропорциональную скорости, а также сигналу, имеющему линейную зависимость от давления Р.. Таким образом, в йредлагаемой установке теплообменник функционирует как нагреватель воздуха при 131 на малых оборотах (что соответстйует .малым значениям давления наДдува и необходимости подогрева воздуха, по даваемого в двигатель с целью получения самовоспламенения) и, напротив , как охлаждающее устройство для воздуха, подаваемого в двигатель при повышенных оборотах когда темпера- тура газа, поступающего из турбины

Темр.()

т44 ниже, чем температура воздуха,поступающего из компрессора. Изобретение позволяет за счет операции , которую можно приравнять к тепловой задержке ввода знергии в двигатель , поддерживать совместную работу компрессора и двигателя вплоть до небольших значений давления наддува .

200

100

J

6 7 PilPz

гЛ

0.51

Фи1.3

PC

w f(