Способ производства энергии в двигателе внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания - SU1111690A3

Изобретение относится к области машиностроения, а именно двигателестроения - системам наддува двигател внутреннего сгорания.

Известен способ производства энергии в двигателе внутреннего сгорания путем подачи в двигатель воздуха, сжатого в компрессоре, привод, которого осуществлен от турбины, работающей на выхлопных газах двигателя, частичного отбора сжатого воздуха между компрессором и двигателем и добавления отобранного сжатого воздуха к потоку выхлопных газов на впуске в турбину с передачей тепловой энергии отработавших в турбине газов отобранному сжатому воздуху 1

Двигатель внутреннего сгорания, предназначенный для реализации изве .стного способа, содержит турбокомпрессорную группу, у которой по меньшей мере один компрессор соединен через воздухонапорньм трубопровод с впускным ресивером двигателя и кинематически связан с турбиной, выходной патрубок которой сообщен. с атмосферой, а впускной канал - с открытым торцом выхлопного коллектора двигателя, воздухоохладитель, установленный в воздухонапорном трубопроводе , перепускной трубопровод, соединяющий воздухонапорный трубопровод с магистралью подачи выхлопных газов из коллектора во впускной канал турбины, и установленный в перпускном трубопроводе блок передачи воздуху энергии отработавших газов турбины СП.

В известном способе и устройстве используется тепловая энергия отработавших в турбине газов, но не их масса, что снижает эффективность использования их энергии.

Цель изобретения - повышение эф фективности использования отработавших в турбине газов.

Для достижения поставленной цели согласно способу производства энергии в двигателе внутреннего сгорания путем подачи в двигатель воздуха,

сжатого в компрессоре, привод которого осуществлен от турбины, работающей на-выхлопных газах двигателя, частичного отбора, сжатого воздуха

между компрессором и двигателем и

добавления отобранного сжатого воздуха к потоку выхлопных газов на впуске в турбину с передачей тепловой энергии отработавших в турбине

газов отобранному сжатому воздуху, одновременно с отбором и передачей тепловой энергии отработавших газов отобранному воздуху производят частичный отбор и передаг|у их массы

путем эжектирования газов сжатым воздухом и их смешения.

Добавление сжатого воздуха в смеси с отработавшими газами к потоку выхлопных газов производят на входе в турбину и под углом к оси потока.

Для повышения эффективности двигателя внутреннего сгорания, содержащего турбокомпрессорную группу, у

которой по меньшей мере один компрессор соединен через воздухонапорный трубопровод с впускным ресивером двигателя и кинематически связан с турбиной, выходной патрубок которой

сообщен с атмосферой, а впускной канал - с открытым торцом выхлопного коллектора двигателя, воздухоохладитель , установленный в воздухонапорном трубопроводе, перепускной трубопровод , соединяющий воздухонапорный трубопровод с магистралью подачи выхлопных газов из коллектора во впускной канал турбины, и установленный в перепускном трубопроводе бло передачи воздуху эи1рг; К отработавших газов турбины, блок переда-чи воздуху энергии отработавших газов выполнен в виде эжектора, у которого впускное отверстие пассивного сопла подсоединено к выходному патру ку турбины, а активное сопло выполнено в виде участка перепускного трубопровода. Соединение перепускного трубопровода с магистралью подачи выхлопных газов может быть выполнено под углом . Соединение перепускного трубопровода с магистралью подачи выхлопных газов может быть выполнено в торце выхлопного коллектора. Турбокомпрессорная группа может быть выполнена двухступенчатой с турбинами высокого и низкого давления и впускное отверстие пассивного сопла эжектора подсоединено к выходному патрубку турбины низкого давления . При этом соединение перепускного трубопровода с магистралью подачи выхлопных газов может быть выполнено между Турбинами высокого и низкого давления. Соединение перепускного трубопровода с воздухонапорным трубопроводом может быть выполнено между компрессором и воздухоохладите/ieM. На фиг. 1 показана функциональная схема устройства, на фиг. 2 - схематическое изображение устройства, в котором отобранное количество сжатого воздуха получает тепловую энергию одновременно с некоторой массой отработавших в турбине газов в результате смещения в эжекторе; на фиг. 3 вариант осуществления изобретения, в котором отобранное количество сжатого воздуха разогревается во время использования этого воздуха для охлаждения по меньшей мере одного выпуСкного клапана двигателя внутреннег . сгорания} на фиг. 4 - вариант осуществления изобретения, в котором 1 90 отобранное количество сжатого воздуха подается во входную улитку по меньшей мере одной турбины, работающей на выхлопных газах; на фиг. 5 частичный вид в поперечном разрезе А-А на фуг. 4; на фиг. 6 - вид в частичном разрезе плоской развертки улитки в развороте на 360°. Двигатель внутреннего сгорания, например дизельный двигатель 1 liMeет по меньшей мере один ряд цилиндров 2, например шесть. Двигатель может иметь несколько рядов цилиндров, например два, расположенных Y-образно . В этом случае предусмотрено по одной группе наддува на каждый ряд цилиндров. Каждый ряд цилиндров двигателя включает в себя впускной ресивер 3 и по меньшей мере один выхлопной коллектор 4 модульного типа с преобразователем импульсов, состоящий из одинаковых участков с постоянным поперечным сечением проходного отверстия на всей длине. Двигатель 1 выполнен с наддувом от одно- или многоступенчатой турбокомпрессорной группы, воздушный компрессор которой кинематически связан с турбиной. В данном случае показан один компрессор 5, а турбокомпрессор включает в себя турбину 6, связанную механически с компрессором 5 посредством промежуточного вала 7. Выходное отверстие компрессора через воздухонапорньгй трубопровод 8 связано с впускным ресивером 3 двигателя 1. Воздухоохладитель 9 служит для охлаждения сжатого воздуха наддува двигателя . Впускной канал 10 турбины 6 посредством трубопровода 11 связан с открытым, торцом выхлопного коллектора 4. Соединение перепускного трубопровода 12с воздухонапорнь м трубопроводом 8 выполнено меж,цу компрессором и воздухоохладителем 9, а с магистралью подачи выхлопных газов в торце. При этом отводимое количество разогретОго сжатого воздуха поступает .в коллектор в точке самого низкОго мгновенного давления выхлопных газов в коллекторе. Выбрр для подачи сжатого воздуха именно этого места выхлопного коллектора обусловлен тем, то первый цилиндр двигателя может сасывать воздух. В этом случае передача энергии отводимому количеству сжатого воздуха существляется в форме тепла и массы путем непосредственного смешения бол шей части отводимого сжатого воздуха с частью потока газов, выходящих иэ турбины в результате эжектирования. . Сжатый воздух в виде одной воздушной струи эжектирует этн газы. С этой цепью предусмотрен один эжектор 13, активное сопло 14 которого выполнено в виде участка перепускного трубопровода 12, а впускное отверсти пассивного сопла 15 при помощи трубы 16 подсоединено к выхлопному патрубку 17 турбины 6. На выходе эжектора 13 смесь газов и сжатого воздуха через трубопровод 12 подается в выхлопной коллектор 4 двигателя 1, Отводимое количество сжатого воздуха регулируется, и отбор может быть прерван или прекращен при запус ке двигателя или при его работе с мощностью, достаточно высокой для того, чтобы производительность турбо компрессорной турбины соответствовала потребностям двигателя. С этой целью перепускной трубопровод 12 оборудован клапаном или аналогичным устройством 18, Например задвижкой с постепенным изменением сечения, этот клапан должен быть закрыт по достижении некоторого определенного значения мощности. Управление им может осуществляться в зависимости от мгновенного значения давления воздуха за компрессором или давления впуска воздуха в двигатель (поскольк давление сжатого воздуха на выходе компрессора приблизительно пропорцио нально мощности, развиваемой двигате лем, в относительно широком диапазоне скоростей вращения двигателя). Во избежание любого изменения направления движения отводимого количества сжатого воздуха в перепускном трубопроводе 12 необходимо, чтобы давление выхлопных газов в выхлопном коллекторе 4 было ниже давления сжат го воздуха в перепускном трубопровод Для автоматического предотвращения такого изменения направления движени потока в перепускном трубопроводе ye танавливается обратный или отсечный клапан 19. клапан 18 работает как заслонка, он должен быть закрыт при запуске двигателя 1 (т.е. когда давление поступающего воздуха равно нулю), а также когда давление газов в выхлопном коллекторе 4 начинает превышать давление сжатого воздуха 1 06 в перепускном трубопроводе 12 в частности , в случае отсутствия обратного или отсечного клапана 19). В варианте на фиг. 3 передача энергии отводимому количеству сжатого воздуха осуществляется в видетепла , отдаваемого горячим органом двигателя, например подвижным клапаном , таким образом, что одновременно этот горячий орган охлаждается за счет циркуляции сжатого воздуха. С этой целью в горячем подвижном органе выполнен канал для прохода сжатого воздуха, движущегося в перепускном канале 12. В этом случае предпочтительнол| чтобы отбор сжатого воздуха осуществлялся после охлаждения в воздухоохладителе. На фиг. 1 показан отбор тепла от одного выпускного клапана двигателя 1. В этом клапане выполнен один канал 20 для охлаждения сжатого воздуха , соединенный обоими своими торцами с перепускным трубопроводом 12. 1 Турбина выполнена осевой, и ее входной патрубок обычно подсоединен к магистрали подвода выхлопных газов посредством диффузора, особенно в случае выполнения выхлопного коллектора модульным о преобразователем импульсов. Однако для лучшего использования кинетической энергии газов желательно сохранить высокую скорость, которой газы располагают после выхода из коллектора, и устранить диффузор, соединив выход выхлопного коллектора и вход турбины посредством улитки 21 или аналогичного устройства, в котором проходное сечение постепенно уменьшается от входа 22 до колеса 23, как это показано на фиг. 4-6. Это позволяет исклк)чить направляющий аппарат турбины и заменить его улиткой, причем функция ускорения потока выполняется выхлопным коллектором. В этом варианте осуществления изобретения связь между выхлопным коллектором 4 и осевой трубиной 6 осуществляется посредством спирального корпуса, закрываю щего колесо 23 турбины с лопатками. Как уже указывалось, улитка 21 имеет такую форму, что проходное сечение для газов постепенно уменьшается таким образом, что скорость входа газов в колесо 23 турбины постоянна по всему периметру этого колеса. В варианте, представленном на 11 фиг. 4-6, добавление сжатого воздуха в смеси с отработавшими газами к потоку выхлопных газов производят, на входе в турбину и под углом к потоку, значение которого подбирается . Если выхлопной коллектор 4 двигателя 1 и по меньшей мере одна турбина 6 турбокомпрессорной группы связаны при помощи улитки, то добавление осуществляют по касательной к траектории входа выхлопных газов в улитку в начале их изогнутой траек тории в этой улитке с тем, чтобы вызвать отклонение траектории и произвести благоприятное изменение треугольников скоростей движения газов в лопатках колеса турбины. Угол ot выбирается в зависимости от рабочего состояния турбины. Перепускной трубопровод 12 подсоединен к улитке с возможностью изменения угла oi . Такое соединение может быть выполнено при помощи патрубка 24 или аналогичного ему средства, шарнирно соединенного в точке 25 с улиткой 21. На фиг. 1 схематически представлены различные-контуры или каналы протекания газовых сред. Непрерывными линиями обозначены постоянные каналы или предпочтительно используе мые каналы, прерывистыми или пунктир ными линиями обозначены каналы, испо зуемые при различных вариантах осуществления изобретения. Воздушный компрессор наддува может быть выполнен одноступенчатым или многоступенчатым , например двухступенчатым. Во втором случае он содержит одну ступень низкого давления 26, из которой сжатый воздух поступает во вторую ступень высокого давления 27, проход при этом через промежуточный охладитель воздуха (не показан).Основной поток сжатого воздуха, выходящий из . компрессора, проходит через воздухоохладитель 28 и поступает в двигател внутреннего сгорания 1, обозначенный контуром через впускной ресивер последнего . Этот воздух используется для образования горючей смеси, при сгорании которой в различных рабочих цилиндрах двигателя образуются продукты сгорания, последние-в результате прямого контакта нагревают, в частности, различные части или детали двигателя такие, например, как выхлопные клапаны 2.9, через кото рые они вытекают, выходя из цилиндров и поступая уже в виде выхлопных газов по меньшей мере в один выхлопной коллектор 30 двигателя 1 (пределы двигателя обозначены пунктирным прямоугольником). Затем газы поступают по меньшей мере в одну газовую турбину, предназначенную (но не обязательно ) для привода воздушного компрессора. Эта турбина может быть одноступенчатой или многоступенчатой, например двухступенчатой, содержащей одну турбину высокого давления 31 (обозначенную пунктирным кружком) и одну турбину низкого давления 32. Отводимое по каналу 33 количество сжатого воздуха А, отбираемое на выходе компрессора перед воздухоохладителем 28, проходит через теплообменник 34, где воздух разогревается отработавшими газами СЕ, выходящими из турбины по каналу 35 и тоже проходящими через теплообменник 34 в атмосферу . Разогретый сжатый воздух в количестве Aj нагнетается в выхлоп30 , где происходит ной коллектор смешивание сжатого воздуха с выхлопными газами, питающими турбину. В соответствии с изобретением теплообменник 34 представляет собой эжектор, в котором часть газов СЕ, выходящих из турбины, смешивается со сжатым воздухом, в результате чего образуется горячая газовая смесь А„, поступающая в выхлопной коллектор 30. Сжатый воздух в количестве А может быть отобран после воздухоох-ладителя 28 (см. пунктир), после чего в количестве А по каналу 36 поступает по меньшей мере -п один нагретый выхлопной клапан 29 двигателя . Проходя через этот клапан, воздух нагревается, одновременно ох- лаждая клапан. Затем поток нагретого таким образом воздуха вдувается в выхлопной коллектор 30. В другом варианте отводимое количество сжатого воздуха, отбираемое реред воздухоохладителем 28, разогревается , обтекая в количестве А„ по линии 37 горячий выхлопной коллектор 30. Зате.м поток-разогретого воздуха оступает в выхлопной коллектор. В случае двухступенчатой турбины тводимое количество сжатого воздуа: А, отдираемое перед воздухоохла911

дителем, проходит tjepea теплообменник 34, где он разогревается газами, выхо дящими из турбины низкого давления 32. После этого поток разогретого воздуха вдувается в количестве Aj в поток газов, выходящих из турбины высокого давления 31 перед входом турбины низкого давления 32.

В процессе сжатия в эжекторе газы нагреваются значительно больше, чем на выходе турбины, эффект от рециркуляции газов возрастает.

Предположим, что давление воздуха наддува на выходе компрессора равно 1,3 бар, а его температура 90°. Если температура газов на выходе турбины 400С и производят рекомпрессию газов до 1,22 бар (давление на входе турбины ) в эжекторе, температура этих же газов достигает 50°С. Количество отобранного газа, равное лишь трети количества активного воздуха, позволяет , следовательно, получить газовую смесь, имеющую температуру 180С, т.е. примерно такую же, какую получают в рекуперативном теплообменнике.

Таким образом, передача тепла одновременно с передачей массы отработавших в турбине газов путем их эжектирования сжатым воздухом и смешения позволяет повысить эффективность использования энергии отработавших газов.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения отводимое ко10

1690

личество сжатого воздуха, вводимое в улитку 21, может не получить никакого предварительного притока энергии (в частности тепловой) т.е. может поступать непосредственно из компрессора в улитку, не проходя через какой-либо рекуператор тепла (например, теплообменник и т.п.).

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения отводимое количество сжатого воздуха может быть независимым от притока энергии (например, посредством нагревания).

Последний вариант может использоваться в комбинации с отводимым количеством 17одогретого сжатого воздуха. В этом случае будет два потока отводимого сжатого воздуха, один из которого разогрет, а другой нет. Это поток неразогретого сжатого воздуха может подаваться в улитку 21 по другому перепускному каналу, отделенному от трубопровода 12.

Вариант изобретения, представлен5 ный на фиг. 4-6 для осевой турбины, может быть использован и для турбин центростремительного типа дли благоприятного воздействия на треугольник скоростей.

Таким образом, выполнение блока передачи энергии в виде эжектора и соединение перепускного трубопровода с магистралью подачи выхлопных газов под углом позволяют повысить эффективность двигателя.

/

4/5

/

Г f7-

/2

17

1в

в

ci

А

йг.2

« 0

11 ./

«

f

C-ji L-ji-j L-jCL.

V А )JJJ}J}J}M т

Фиг.6 2