Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение позволяет повысить эффективность использования энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания и снизить их токсичность. Газоприемный патрубок турбины 2 турбокомпрессора сообщен с выхлопной трубой 13 через перепускной клапан 7 и обводной канал 6, в котором установлена вихревая труба 9. "Горячий" выпускной патрубок 12 вихревой трубы сообщен с выхлопной трубой, а "холодный" подключен к разветленному газопроводу 18. Одна ветвь газопровода подключена к впускному патрубку теплообменника 20, установленного в резервуаре ниже уровня жидкости, а другая подключена к резервуару над уровнем жидкости. Выпускной патрубок 21 теплообменника сообщен с выхлопной трубой 13. Во время работы с повышенной частотой и нагрузкой часть отработавших газов двигателя через перепускной клапан 7 и обводной канал 6 поступает в вихревую трубу 9, где происходит их температурное разделение. Через "горячий" выпускной патрубок 12 высокотемпературные газы в смеси с несгоревшими частицами поступают в выхлопную трубу, а через "холодный" поступают в теплообменник 20 под уровнем жидкости и в резервуар над уровнем жидкости. Пониженная температура газов из "холодного" патрубка позволяет использовать их для подогрева топлива и масла, а отделение несгоревших частиц в "горячий" поток способствует их дожиганию. 1 с. и 3 з.п. ф-лы. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTKRblTVIRM

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ !, / z ю! i!

1 1

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4695085/06 (22) 23,05,89 (46) 23.08.91. Бюл. М 31 (71) Белорусский технологический институт им, С.М.Кирова (72) А.В.Жлобич и Е.С.Санкович (53) 621.43.052(088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1476164, кл. F 02 D 23/02, 1987, (54) ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Изобретение позволяет повысить эффективность использования энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания и снизить их токсичность. Газоприемный патрубок турбины 2 турбокомпрессора сообщен с выхлопной трубой 13 через перепускной клапан 7 и обводной канал 6, в котором установлена вихревая труба 9. "Горячий" выпускной патрубок 12 вихревой трубы сообщен с выхлопной трубой, а "холодный" подключен к разветвленноИзобретение относится к машиностроению, в частности — двигателестроению, а конкретно — к двигателям внутреннего сгорания с регулируемым наддувом и использованием энергии перепускаемых отработавших газов.

Цель изобретения — повышение эффективности использования энергии отработавших газов и снижение их токсичности.

На фиг. 1 схематически показан общий вид системы наддува и жидкостный резервуар; на фиг. 2 — разрез А-А вихревой трубы йо фиг.1; на фиг, 3 — эжектор и его подсоединения к выхлопной трубе и выпускному

5U» 1671921 А1 (я)л F 02 В 37/12, F 02 0 23/02; F 02 G 5/02;

F 02 M 31/02 му газопроводу 18, Одна ветвь газопровода подключена к впускному патрубку теплообменника 20, установленного в резервуаре ниже уровня жидкости, а другая подключена к резервуару над уровнем жидкости. Выпускной патрубок 21 теплообменника сообщен с выхлопной трубой 13. Во время работы с повышенной частотой и нагрузкой часть отработавших газов двигателя через перепускной клапан 7 и обводной канал 6 поступает в вихревую трубу 9, где происходит их температурное разделение. Через "горячий" выпускной патрубок 12 высокотемпературные газы в смеси с несгоревшими частицами поступают в выхлопную трубу, а через "холодный" поступают в тепМ лообменник 20 под уровнем жидкости и в резервуар над уровнем жидкости, Пониженная температура газов из "холодного" патрубка позволяет использовать их для

Ф подогрева топлива и масла, а отделение несгоревших частиц в "горячий" поток способствует их дожиганию. 1 с. и 3 э.п. ф-лы. 4 ил. патрубку теплообменника; на фиг. 4 — вариант выполнения разветвления газопровода для случая использования резервуара в системе смазки.

Турбокомпрессор 1 системы наддува, содержащий газовую турбину 2 и центробежный компрессор 3. соединенные с двигателем внутреннего сгорания (не показан) выпускным трубопроводом 4 и нагнетательным трубопроводом 5, причем, с целью регулирования турбокомпрессор 1 снабжен обводным каналом 6 и перепускным клапаном 7, имеющим для своего управления воздушный канал 8. Выпускной трубопровод 4

1671921

15

25

35

45

55 с помощью обводного канала 6 соединен с вихревой трубкой 9, которая имеет тангенциальный или спиральный сопловой ввод 10 (фиг. 2), рабочую часть с закрепленным на выходе "горячим" выпускным патрубком и конусом 11. Участок "горячего" выпускного патрубка 12 размещен в выхлопной трубе 13 и ориентирован против потока отработавших газов в этой трубе.

Второй "холодный" выпускной патрубок вихревой трубы 9 выполнен в виде центральной трубки 14 с диафрагмой 15 на входе и сообщен со змеевиком 16, охлажденным жидкостью, например, водой, поступающей по трубопроводу 17 из корпуса газовой турбины 2 или блока двигателя.

Змеевик выполнен в виде участка, разветвленного газопровода 18, одна ветвь которого (вторая) соединена с жидкостным резервуаром 19 над уровнем жидкости. Резервуар служит емкостью для топлива или для масла и включен в систему питания или смазки. Первая ветвь газопровода 18соединена с впускным патрубком газожидкостного рекуперативного теплообменника 20, размещенного в резервуаре ниже уровня жидкости. Выпускной патрубок 21 теплообменника частично размещен в выхлопной трубе 13. Вторая ветвь газопровода снабжена охлаждаемым фильтром-конденсатором

22 и обратным клапаном 23. Резервуар снабжен предохранительным клапаном 24 избыточного давления. Обе ветви оснащены запорными клапанами 25 и 26. Выходная магистраль 27 резервуара может быть проложена рядом с одной из ветвей газопровода для дополнительного подогрева.

В варианте по фиг. 3 патрубок 12 частично размещен внутри выхлопной трубы 13 вдоль ее оси и ориентирован вдоль потока газов в выхлопной трубе, а выхлопная труба подключена к активному соплу эжектора 28, пассивное сопло которого подключено к выпускному патрубку 21 теплообменника.

"Горячий" выпускной патрубок 12 может быть выполнен сужающимся к выходу, в этом случае вихревая труба выполняется без конуса 11 или же он заменяется крестовиной для раскрутки потока.

При использовании резервуара 19 в системе смазки "с сухим картером" разветвление газопровода 18 выполняется в виде эжектора 29 (фиг. 4), пассивное сопло которого сообщено с резервуаром.

Двигатель работает следующим образом.

С повышением частоты вращения вала двигателя и нагрузки до номинальной включительно турбокомпрессор 1 повышает давление наддува в нагнетательном трубопроводе

5 и цилиндрах двигателя, причем давление воздуха, сжатого в компрессоре 3, передается по каналу 8, воздействует на мембрану перепускного клапана 7 и открывает его. В этот момент отработавшие газы двигателя, выходящие из выпускного трубопровода 4, направляются преимущественно в газовую турбину 2 и затем — выхлопную трубу 13, но часть газов движется через открытый клапан 7 в обводной канал 6 и поступает в сопловой ввод 10 вихревой трубы 9, В вихревой трубе 9, благодаря высокой (звуковой) скорости истечения газов иэ сопла и тангенциальному или спиральному вводу потока, создается интенсивное вращательное движение газов, которое сопровождается температурным разделением с образованием более нагретого потока (горячего) на периферии неохлаждаемой рабочей части вихревой трубы 9 и охлажденного потока (холодного) на оси трубы, движущихся противоточно, Кроме того. в трубе 9 создается радиальная неравномерность давления и концентрации механических частиц, таких как сажа и эола. Причем процесс сепарации цастиц в "горячий" поток сопровождается выгоранием углерода и уносом золы в "горячем" потоке, проходящем через кольцевое сечение на конусе 11 и отводимом через патрубок 12 в выхлопную трубу 13. Выход газов из патрубка 12 навстречу основному потоку иэ газовой турбины 2 притормаживает-несколько этот поток и тем самым улучшает условия регулирования турбокомпрессора 1. Эффект торможения может быть усилен установкой регулирующей заслонки в трубе 13.

Холодный поток движется через диафрагму 15 по центральной трубе 14 и дополнительно охлаждается в змеевике 16 до температуры 480-520 К, а затем по одной иэ ветвей трубопровода 18 направляется в теплообменник 20. Сравнительно невысокая температура позволяет использовать газы для подогрева топлива или масла в резервуаре 19. Через выпускной патрубок 21 поток отводится в выхлопную трубу 13, Параллельно с этим холодный поток частично направляется во вторую ветвь трубопровода 18, в фильтр-конденсатор 22, в котором подвергается тонкой фильтрации с конденсацией водяного пара, образованием кислот и осушкой газов, достигающих температуры не выше 373 К. Затем отработавшие газы через обратный клапан 23 заполняют резервуар 19 над уровнем жидкости и создают в ней избыточное давление, величина которого определяется суммарным гидравлическим сопротивлением трубопровода 18.

Верхний уровень давления в резервуаре 19

1671921

10

15 поддерживается автоматически клапаном

24, при открытии которого газы выбрасываются в атмосферу или в выхлопную трубу 13.

Газы из фильтра-конденсатора 22 перетекают постепенно в резервуар 19 по мере снижения уровня жидкости и своим давлением способствуют ее движению в расходной магистрали 27.

Распределение отработавших газов на

"горячий" и "холодный" потоки определяется величиной проходных сечений на конусе

11 и в диафрагме 15 вихревой трубы, а также положением клапанов 25 и 26, при закрытии которых или только клапана 26 "холодный поток" практически не образуется. и отработавшие газы из вихревой трубы, дополнительно не разогреваясь, отводятся через патрубок 12 в выхлопную трубу 13.

При пуске двигателя, работе на холостом ходу или под нагрузкой на низких частотах вращения вала двигателя перепускной клапан 7 закрыт, и вихревая труба 9 выполняет новую функцию, соединительного трубопровода для рециркуляции отработавших газов из выхлопной трубы 13 в патрубок 12 и дальнейшего движения по разветвленному трубопроводу 18 с возвратом через выпускной патрубок 21 в выхлопную трубу 13, Этот путь рециркуляции отработавших газов сохраняется полностью в системе согласно варианту (фиг. 3), в котором движение газов создается эжектором 28. При открытом клапане 7 в эжектор

28 поступает лишь "холодный" поток из вихревой трубы 9, а "горячий" поток двигателя поступает в обычном направлении и на выходе из патрубка 12 создает эжекцию, снижающую несколько противодавление за газовой турбиной 2, Эжектор 29 создает разрежение в резервуаре 19, обеспечивает деаэрацию масла. поступающего из картера двигателя, и удаляет газы через фильтр в общий поток газопровод 18 и выхлопную трубу 13.

Двигатель предназначен, в первую очередь, для работы с высоким наддувом на утяжеленном моторном топливе с подогревом. Система утилизации тепла перепускаемых газов многофункциональна и обеспечивает на переменных режимах работы двигателя нагрев топлива или масла в напорной емкости, наддув емкости или разрежение в ее газовой полости, расширяет возможности регулирования турбокомпрессора и обладает саморегулированием. При работе доигателя под нагрузкой в системе

55 происходит дожигание сажи и других горючих компонентов, благодаря чему снижается общая токсичность отработавших газов.

В преглагаемой системе поддерживается пожарнач безопасность путем последовательного ступенчатого охлаждения отводимых отработавших газов, что также препятствует термическому распаду топлива или масла в напорной емкости, Пожарная безопасность обеспечивается и за счет низкой окислительной способности отработавших газов.

Формула изобретения

1, Двигатель внутреннего сгорания. содержащий системы питания и смазки с жидкостными резервуарами для топлива и масла и систему наддува с турбокомпрессором, у которого газоприемный патрубок сообщен с выхлопной трубой через перепуск ной клапан и обводной канал, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с цель о повышения эффективности использования энер ии отработавших газов и снижения их тОксичнОсти, двигатель снабжен газожидкостным теплообменником, газопроводом и вихревой трубой с "горячим" и "холодным" выпускными патрубками, газожидкостный теплообменник установлен в одном из резервуаров ниже уровня жидкости, а вихревая труба установлена в обводном канале, причем "горячий" выпускной патрубок вихревой трубы сообщен с выхлопной трубой, а "холодный" подключен к газопроводу, разветвляющемуся на две ветви, первая из которых подсоединена к впускному патрубку теплообменника, а вторая — резервуару над уровнем жидкости, 2. Двигатель по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что он снабжен жидкостным газоохладителем, выполненным в виде участка газопровода, заключенного между разветвлением и "холодным" патрубком вихревой трубы.

3. Двигатель по пп. 1, 2, отличающийся тем, что "горячий" выпускной патрубок вихревой трубы частично размещен внутри выхлопной трубы вдоль ее оси и ориентирован против потока газов в выхлопной тру ое.

4, Двигатель по пп, 1-3, отличающийся тем, что он снабжен эжектором, активное сопло которого подключено к выхлопной трубе, а пассивное — к выпускному патрубку теплообменника.

1671921

Юцг.1

1671921

Составитель М,Файн

Техред M. Моргентал Корректор С,Черни

Редактор С.Пекарь

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 2815 Тираж 349 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5