Устройство для наддува двигателя внутреннего сгорания

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАДДУВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ содержащее турбокомпрессор и дополнительную камеру сгорания с пламенной трубой , охватывающей зону горения, и впускным воздущным завихрителем, подключенную воздуховпускным отверстием к магистрали перепуска воздуха из компрессора, газовпускным - к выхлопному трубопроводу двигателя, а выпускным - к газоприемному патрубку турбины, и снабженную каналом частичного перепуска воздуха мимо зоны горения и зоны смешения продуктов сгорания с отработавщими газами двигателя и смесителем, один открытый торец которого обращен к пламенной трубе, второй - к выпускному отверстию камеры, а боковые отверстия соединены каналом с газовыпускным отверстием кам,еры, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности путем улучшения организации горения в дополнительной камере сгорания, между выпускным отверстием камеры сгорания и газоприемным патрубком турбины установлена смесительная емкость с дополнительным впускным отверстием, выхлопной трубопроi вод двигателя выполнен разветвленным на два выхлопных патрубка, к одному из которых подключено газовпускное отверстие дополнительной камеры сгорания, а второй выхлопной патрубок снабжен регулируемым дросселем и подключен к дополнительному впускному отверстию смесителя емкости.

союз советсних

001.1иАлистичесних

РЕСПУБЛИК

4(59 F 02 В 37/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) . 3608430/25-06 (22) 21.06.83 (46) 07.02.85. Бюл. № 5 (72) Б. М. Борецкий и С. С. Соколов (71) Центральный научно-исследовательский дизельный институт (53) 621.43.052 (088.8) (56) I. Патент Франции № 2097437, кл. F 02 В 37/00, опублик. 1974.

2. Акцептованная заявка Великобритании № 1410091, кл. F 02 С 3/04, опублик.

1975. (54) (57) УСТРОИСТВО ДЛЯ НАДДУВА

ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ содержащее турбокомпрессор и дополнительную камеру сгорания с пламенной трубой, охватывающей зону горения, и впускным воздушным завихрителем, подключенную воздуховпускным отверстием к магистрали перепуска воздуха из компрессора, газовпускным — к выхлопному трубопроводу двигателя, а выпускным — к газоприем,„SU... 1138529 A ному патрубку турбины, и снабженную каналом частичного перепуска воздуха мимо зоны горения и зоны смешения продуктов сгорания с отработавшими газами двигателя и смесителем, один открытый торец которого обращен к пламенной трубе, второй— к выпускному отверстию камеры, а боковые отверстия соединены каналом с газовыпускным отверстием камеры, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности путем улучшения организации горения в дополнительной камере сгорания, между выпускным отверстием камеры сгорания и газоприемным патрубком турбины установлена смесительная емкость с дополнительным впускным отверстием, выхлопной трубопровод двигателя выполнен разветвленным на с2 два выхлопных патрубка, к одному из которых подключено газовпускное отверстие фф дополнительной камеры сгорания, а второй выхлопной патрубок снабжен регулируемым дросселем и подключен к дополнительному впускному отверстию смесителя емкости.

1138529

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к системам наддува двигателей внутреннего сгорания, преимущественно дизельных двигателей с пониженной степенью сжатия.

Известно устройство для наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащее турбокомпрессор и дополнительную камеру сгорания с пламенной трубой, охватывающей зону горения, и впускным воздушным завихрителем, подключенную воздуховпускным отверстием к магистрали перепуска воздуха из компрессора, газовпускным — к выхлопному трубопроводу, а выпускным — к газоприемному патрубку турбины (1). 15

В этом устройстве пламенная труба дополнительной камеры сгорания выполнена с дополнительными направляющими отверстиями, которые соединяют ее воздуховпускное отверстие со вторичной зоной горения (или зоной дожигания) . При этом все воздухонаправляющие устройства камеры сгорания сообщены одновременно и с воздуховпускным и с газовпускным отверстиями. Это снижает работоспособность камеры сгорания при малых содержаниях свободного кислорода, отработавших газах двигателя, и этим ухудшает его приемистость. При уменьшении содержания ввоздухе кислорода ниже 12—

15О/О горение становится невозможным.

Применительно к отработавшим газам, имеющим повышенные температуры и активные промежуточные продукты окисления, критическая концентрация кислорода составляет величину порядка 10 — 12 /р, что соответствует коэффициентам избытка воздуха в двигателе о цв= — 1,8 — 2,1. При работе системы наддува как без перепуска воздуха с компрессора на турбину, так и с перепуском, в пиках импульсов расхода выпускных газов двигателя через воздухонаправляющие устройства пламенной трубы проходят исключительно отработавшие газы и при значениях ад < 1,8 — 2,1 горение топлива в камере сгорания невозможно. Это исключает активизацию с IloMolllью камеры сгорания нагрузки двигателя за счет ускорения раскрутки ротора турбокомпрессора, так как на переходных режимах при удовлетворительном качестве app l, и ограничивает максимально достижимые средние эффективные давления цикла при пониженных частотах вращения коленчатого вала независимо от уровня максимальных давлений сгорания. Другим недостатком этого устройства является то, что камера сгорания включена последовательно между выпускным коллектором двигателя и турбиной и поэтому служит постоянным дросселем, на котором теряется не меньше 2-5О/о полного давления отработавших газов, что 55 ухудшает КПД двигателя, в частности, на номинальном режиме. Кроме того, недостатком указанной системы является повышенные весогабаритные показатели камеры сгоранияя.

Известно также устройство для наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащее турбокомпрессор и дополнительную камеру сгорания с пламенной трубой, охватывающей зону горения, и впускным воздушным завихрителем, подключенную воздуховпускным отверстием к магистрали перепуска воздуха из компрессора, газовпускным— к выхлопному трубопроводу двигателя, а выпускным — к газоприемному патрубку турбины, характеризующееся тем, что камера снабжена каналом частичного перепуска воздуха мимо зоны горения и зоны смешения продуктов сгорания с отработавшими газами двигателя, а также смесителем, один торец которого обращен к пламенной трубе, второй — к выпускному отверстию камеры, а боковые отверстия соединены каналом с газовпускным отверстием камеры (2) ..

Б результате разделения воздуха и отработавших газов в зоне горения эта камера лишена многих отмеченных недостатков, но организация сгорания в зоне горения остается несовершенной из-за невозможности регулировать количество отработавших газов в комбинированном окислителе, а кроме того сохраняется недостаток, заключающийся в том, что она служит постоянным сопротивлением для потока отработавших газов.

Цель изобретения — повышение эффективности путем улучшения организации горения в дополнительной камере сгорания.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащем турбокомпрессор и дополнительную камеру сгорания с пламенной трубой, охватывающей зону горения, и впускным воздушным завихрителем, подключенную воздуховпускным отверстием к магистрали перепуска воздуха из компрессора, газовпускным — к выхлопному трубопроводу двигателя, а выпускным — к газоприемному патрубку турбины, и снабженную каналом частичного перепуска воздуха мимо зоны горения и зоны смешения продуктов сгорания с отработавшими газами двигателя и смесителем, один открытый торец которого обращен к пламенной трубе, второй — к выпускному отверстию камеры, а боковые отверстия соединены каналом с газовыпускным отверстием камеры, между выпускным отверстием камеры сгорания и газоприемным патрубком турбины установлена смесительная емкость с дополнительным впускным отверстием, выхлопной трубопровод двигателя выполнен разветвленным на два выхлопных патрубка, к одному из которых подключено газовпускное отверстие дополнительной камеры сгорания, а второй выхлопной патрубок снабжен регулируемым дросселем и подключен к дополнительному впускному отверстию смесителя емкости.

1138529

На чертеже представлена конструктивная схема устройства.

Двигатель 1 внутреннего сгорания содержит устройство для наддува, в которое входят свободный трубокомпрессор, состоящий из турбины 2 и компрессора 3, связанных общим ротором 4, выхлопной коллектор 5 и дополнительная камера сгорания с пламенной трубой 6, охватывающей зону горения, и смесителем 7, который сообщен с газоприемным патрубком 8 турбины 2. Воздуховпускное отверстие 9 камеры подключено к магистрали 10 перепуска воздуха из компрессора 3. Газовпускное отверстие 11 камеры подключено к выхлопному коллектору 5

10 шими газами двигателя. В этом канале также установлен регулируемый дроссель 21.

Между выпускным отверстием дополнительной камеры сгорания и газоприемным патрубком турбины установлена смесительная емкость 22 с дополнительным впускным отверстием 23. В емкости 22 смесь продуктов сгорания и отработавших газов разбавляется перепускаемым воздухом из канала 20.

К дополнительному отверстию 23 емкости подключен второй патрубок 18 выхлопного трубопровода.

Работа двигателя 1 на холостых ходах и малых нагрузках осуществляется при под- 0 держании камеры сгорания в состоянии готовности с дежурным пламенем. При этом дроссели 16 и 21 перекрыты и пламя поддерживается в потоке незначительной части отработавших газов, поступающих в боковые отверстия 17 смесителя 7. Основная же часть потока отработавших газов при открытом дросселе 19 поступает из коллектора 5 через патрубок 18 на вход турбины 2. при помощи выхлопного трубопровода. В тор- це пламенной трубы установлена топливная форсунка 12. Пламенная труба разделена на два участка: цилиндрический 13 и конический 14, в торце цилиндрического участка вокруг форсунки 12 и на его стыке с коническим участком выполнены каналы воздуш- 20 ного завихрителя 15, а между последним и воздуховпускным отверстием 9 помещен регулируемый дроссель 16 первичного воздуха.

Смеситель 7 обращен одним торцом к пламенной трубе, вторым — к выпускному отверстию камеры и снабжен боковыми отверстиями 17, которые соединены каналом с газовпускным отверстием 11 камеры. Боковые отверстия могут быть тангенциальными.

Выхлопной трубопровод двигателя выполнен разветвленным на два выхлопных пат- 30 рубка, к одному из которых подключено газовпускное отверстие 11 камеры сгорания, а второй выхлопной патрубок 18 снабжен регулируемым дросселем 19. Дополнительная камера сгорания снабжена каналом 20 перепуска воздуха мимо зоны горения и зоны смешения продуктов сгорания с отработавВ начальный момент приема нагрузки двигателем 1 дроссель 19 в значительной мере перекрывает патрубок 18, а дроссель

16 первичного воздуха открывают в соответствии с расходом топлива в форсунке 12.

Расход отработавших газов через окна 17 повышается в такой степени, чтобы вследствие эжекции через воздушный завихритель 15 непрерывно вытекал воздух в пламенную трубу 6 при соотношении давления наддува к давлению отработавших газов

Рк РтВ переходном процессе по мере нарастания расхода отработавших газов в коллекторе 5 увеличивают расход топлива в форсунке 12 и проходное сечение дросселя

16 первичного воздуха, поддерживая перед турбиной 2 примерно постоянную кратковременно допустимую повышенную температуру. Одновременно плавно увеличивают проходное сечение дросселя 19; повышая тем самым долю газов, поступающих из выпускного коллектора 5 через патрубок 18 в турбину 2, минуя камеру сгорания.

К концу переходного режима проходное сечение дросселя 19 увеличивают настолько, что через пламенную трубу 6 камеры сгорания проходит лишь малая доля газов двигателя, необходимая для окисления топлива в дежурном пламени, если конечный режим двигателя 1 осуществляется с высокими частотами вращения коленчатого вала и при коэффициентах избытка воздуха скпв 1,8—

2,1, в других случаях через камеру сгорания пропускают несколько большую долю отработавших газов, необходимую для эжектирования первичного воздуха, поступающего в пламенную трубу 6 из компрессора 3.

При работе двигателя 1 на установившихся режимах с высокими частотами вращения коленчатого вала, в том числе на номинальном режиме, дроссели 16.и 21 полностью закрыты, а так как расход топлива, распыливаемого форсункой 12 в пламенную трубу 6 для поддержания камеры сгорания в состоянии готовности с дежурным пламенем ничтожно мал, то и необходимы сравнительно малые скорости и расход газов в окнах 17. Поэтому дроссель !9 открыт полностью, предоставляя потоку газов, поступающих из выпускного коллектора 5, наибольшее проходное сечение и обеспечивая этим минимальные потери давления отработавших газов в трассе перед турбиной, а потому и высокие КПД двигателя.

На нагрузочных режимах двигателя 1 с пониженными частотами вращения коленчатого вала, когда необходим перепуск избыточного по отношению к потребляемому двигателем 1 воздуха из компрессора 3 в турбину 2, основная его часть проходит по магистрали 10 через открытый в необходимой степени дроссель 21, минуя пламенную трубу 6, а другая его часть поступает через

1138529

Составитеть М. Файн

Редактор Н. Яцола Техред И. Верее Корректор О. Билак

3а каз 10655/24 Тираж 538 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7K — 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4 завихритель 15 в пламенную трубу б и дозируется дросселем 16 первичного воздуха пропорционально подаче топлива форсункой 12. При этом дроссель 19 в патрубке

18 частично перекрывает его для повышения количества движения отработавших газов, поступающих во входные тангенциальные окна 17, и для эжектирования первичного воздуха. При этом в моменты прохождения пиков импульсов газов достаточно обеспечить просос минимального по устойчивости горения расхода первичного воздуха, а догорание топлива завершится .в отработавших газах, вращающихся в пламенной трубе.

Использование предлагаемой системы наддува в двигателях внутреннего сгорания дает возможность существенно повысить их приемистость и эксплуатационную экономичность. Последнее обусловлено сокращением времени переходных режимов, менее экономичных, чем режимы установившиеся, доля которых соответственно возрастает, а также повышением КПД двигателя. Рост

КПД связан с возможностью сведения к минимуму гидравлического сопротивления камеры сгорания на режимах холостых ходов и высоких частот вращения коленчатого вала, в том числе на номинальном режиме, а также уменьшения затрат на эжекцию воздуха, перепускаемого с компрессора на турбину при пониженных частотах вращения коленчатого вала. Кроме того, ликвидируются ограничения средних эффективных давлений цикла по условию о<да (1,8 — 2,1. Габариты и вес камеры сгорания могут быть существенно снижены вследствие ее частичнопоточности по воздуху и выпускным газам двигателя.