Турбокомпаундный двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение может быть использовано в системах наддува двигателей. Цель изобретения - повышение эффективных показателей двигателя. Двигатель содержит впускной трубопровод 1, цилиндры 2, каждый из которых снабжен органами впуска, сообщенными с впускным трубопроводом 1 и разделенными органами выпуска отработавших газов повышенного и пониженного давления, выхлопные коллекторы 3 и 4, первый из которых объединяет органы выпуска отработавших газов повышенного давления, а второй - органы выпуска отработавших газов пониженного давления, и турбинные ступени 5 и'б, первая из которых подключена к первому выхлопному коллектору 3 и выполнена в виде турбины привода турбокомпрессора 14 наддува, а вторая свя- 'зана с выходом 7 первой турбинной ступени 6, дополнительно подключена к второму выхлопному коллектору 4 и вьтолнена в виде силовой турбины, кинематически связанной с коленчатым валом. Двигатель снабжен объемным нагнетателем и охладителем 9, .нагнетатели, выполненным в виде отключаемого вентилятора с кожухом 10. Между объемным нагревателем 8 и впускным трубопроводом 1 установлены двухсекционный теплообменник и перепускной канал 13, а между тгурбокомпрессором и объемным нагнетателем установлен дополнительный охладитель 15. Охлаждение наддувочного воздуха и применение турбинны>&^ ступеней с разделенным подводом газов позволяет повысить экономичность двигателя. 7 з. п. ф-лы, 4 ил.слс

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 F 02 В 37/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4726822/06 (22) 07.08.89 (46) 23.02.92. Бюл. М 7 (71) Камское объединение по производству большегрузных автомобилей (72) А,Д. Борисов (53) 621,43-052 (088.8) (56) Выложенная заявка ФРГ

М 3721238, кл, F 02 В 37/12, 1988, Маханько M.Ã. Газотурбинные системы двигателей с разделенным выпуском газов. — M. Машиностроение, 1972. с. 107, рис.

69а. (54) ТУРБОКОМПАУНДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Изобре-.ение может быть использовано в системах наддува двигателей. Цель изобретения — повышение эффективных показателей двигателя. Двигатель содержит впускной трубопровод 1, цилиндры 2, каждый из которых снабжен органами впуска, сообщенными с впускным трубопроводом 1 и разделенными органами выпуска отработавших газов повышенного и пониженного давления, выхлопные коллекторы 3 и 4, пер.. Ж 17 14172 А1 вый из которых объединяет органы выпуска отработавших газов повышенного давления, а второй — органы выпуска отработавших газов пониженного давления, и турбинные ступени 5 и 6, первая из которых подключена к первому выхлопному коллектору 3 и выполнена в виде турбины привода турбокомпрессора 14 наддува, а вторая связана с выходом 7 первой турбинной ступени

5, дополнительно подключена к второму выхлопному коллектору 4 и выполнена в виде силовой турбины, кинематически связанной с коленчатым валом. Двигатель снабжен объемным нагнетателем и охладителем 9, нагнетателя, выполненным в виде отключа- . . емого вентилятора с кожухом 10. Между объемным нагревателем 8 и впускным трубопроводом 1 установлены двухсекционный теплообменник и перепускной канал 13, а между Турбокомпрессором и объемным нагнетателем установлен дополнительный охладитель 15. Охлаждение наддувочного воздуха и применение турбинных ступеней с разделенным подводом газов позволяет повысить экономичность двигателя. 7 э. и. ф-лы, 4 ил.

1714172

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению.

Известен четырехклапанный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с системой турбонаддува. Наддувочный воздух от турбокомпрессора (TKP) направляется в цилиндры лишь через один впускной клапан, который открывается к началу второй половины хода впуска, -В первой половине хода впуска воздух поступает в цилиндр из атмосферы через другой клапан. Между фазами открытия и закрытия впускных клапанов предусмотрено небольшое перекрытие, выбираемое из условия, чтобы не возникал обратный поток наддувочного воздуха через клапан, соединенный с атмосферой, Этим достигается максимальное наполнение цилиндра. В начале хода выпуска открывается лишь один выпускной клапан, через который отработавшие газы (ОГ) поступают в турбину TKP. После того, как избыточное давление ОГ в цилиндре становится невысоким, этот клапан закрывае1ся и открывается другой выпускной клапан, из которого Of вытекают в атмосферу.

Пониженное. противодавление ОГ способствует увеличению работы расширения и улучшения очистки цилиндров от остаточных газов, В целом ДВС обладает повышенным КПД по сравнению с ДВС с обычной системой турбонаддува.

Недостатками ДВС с такой системой газообмена и турбонаддува являются повышенное сопротивление системы впуска; пониженные пусковые свойства ДВС в хо. лодном климате вследствие поступления в цилиндры холодного воздуха из атмосферы; воэможность обратного потока наддувочного воздуха в атмосферу в условиях жаркого климата и повышенного давления наддува.

Повышенное сопротивление воздуха на впуске в двигатель не способствует применению механического нагнетателя; с увеличением энергии выпускных газов соответственно возрастают потери тепла, что лимитирует внедрение мероприятий, снижающих теплопередачу собственно в двигателе.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является двигатель; снабженный разделенным выпуском газов в два выхлопных коллектора, первый из которых подключен к силовой турбине, кинематически связанной с коленчатым валом двигателя, а второй подключен к турбине привода компрессора наддува, которая дополнительно связана с выходом силовой турбины.

Недостатками такой системы наддува двигателя являются увеличенные размеры

55 турбокомпрессора, использующего выпускные газы с пониженной после силовой турбины энергией, и ухудшение наполнения цилиндров сжатым воздухом на больших нагрузках вследствие отсутствия охлаждения сжатого воздуха, Цель изобретения — повышение эффективных показателей двигателя. На фиг. 1 представлен двигатель с объемным нагнетателем; на фиг. 2 — то же, с воздушным теплообменником и перепускным каналом; на фиг. 3 — то же, с турбокомпрессором и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха; на фиг. 4 — то же, с двухсекционным теплообменником.

Турбокомпаундный двигатель внутреннего сгорания содержит впускной трубопровод 1, цилиндры 2, каждый из которых снабжен органами впуска, сообщенными с впускным трубопроводом 1, и основным и дополнительными органами .выпуска отработавших газов, по меньшей мере два выхлопных коллектора 3 и 4, первый из которых объединяет основные органы выпуска отработавших газов из цилиндров, а второй — дополнительные органы выпуска отработавших газов из цилиндров, и многоступенчатое устройство утилизации энергии отработавших газов, выполненное в виде турбинных ступеней 5 и б.. Ступень 5 подключена к первому выхлопному коллектору

3, а впускной патрубок второй турбинной ступени б подключен к второму выхлопному коллектору 4 и дополнительно связан с выпускнымм патрубком 7 первой турбинной ступени 5.

Двигатель снабжен объемным нагнетателем 8 с внутренним сжатием и с приводом от коленчатого вала и устройством 9 охлаждения объемного нагнетателя 8, выполненным в виде отключаемого вентилятора с кожухом 10, в который заключен объемный нагнетатель 8. Между выходным патрубком объемного нагнетателя 8 и впускным грубопроводом 1 установлен двухсекционный теплообменник с. жидкостно-воздушной секцией 11 и воздуха-воздушной секцией 12 и перепускным каналом 13 в обход теплообменника. На входе в перепускной канал 13 установлена управляемая заслонка, причем жидкостно-воздушная секция 12 теплообменника подключена к системе охлаждения двигателя. Количество турбинных ступеней соответствует количеству выпускных органов каждого цилиндра. 2 двигателя, и турбины могут быть размещены на одном валу с передачей потока мощности на коленчатый вал, например, с помощью зубчатой передачи и гидродинамической муфты.

1714172

Двигатель также снабжен дополнительным компрессором наддува, и первая турбинная ступень 3 выполнена в виде привода дополнительного компрессора наддува и образует с ним турбокомпрессор 14, воздухонапорный патрубок которого подключен к впускному патрубку объемного нагнетателя 8. Вторая турбинная ступень 4 выполнена в виде силовой турбины, кинематически связанной с коленчатым валом двигателя, Между воздухонапорным патрубком турбокомпрессора и впускным патрубком объемного нагнетателя 8 установлен дополнительный воздухо-воздушный охладитель 15.

Турбокомпаундный двигатель работает следующим образом, При запуске двигателя воздух предварительно сжимается в объемном нагнетателе 8. Давление и температура воздуха повышаются в зависимости от степени сжатия и КПД. Вентилятор 9 отключен от двигателя, и подогретый естественным образом сжатый воздух поступает через впускной трубопровод 1 в цилиндры 2 двигателя. Подача такого воздуха до определенного уровня нагрузок обеспечивает нормальное сгорание топлива в цилиндрах 2 двигателя и эффективную работу турбинных ступеней, что в целом повышает КПД двигателя, При повышении нагрузок включается вентилятор 9, что уменьшает температуру наддувочного воздуха и снижает максимальные давление и температуру рабочего цикла, В начале такта выпуска открывается основной выпускной орган, и отработавшие газы повышенного давления по первому выхлопному коллектору 3 поступают на турбину 5 первой ступенй. Потом открывается дополнительный выпускной орган и закрывается основной. При этом по второму выхлопному коллектору 4 на турбину второй ступени 6 поступают отработавшие газы пониженного давления, Между фазами открытия и закрытия выпускных органов предусмотрено их небольшое перекрытие, выбираемое из условия реализации на каждой турбине необходимой энергии.

Отработавшие газы повышенного давления после первой турбинной ступени поступают на вторую турбинную ступень и совместно с отработавшими газами пониженного давления срабатывает теплоперепад на второй турбинной ступени. Такой порядок работы выпускных органов и турбинных ступеней увеличивает механическую энергию, получаемую на валу двигателя.

Для увеличения плотности воздуха, поступающего в цилиндры, и снижения тепло10

20

30

40

55 вой напряженности деталей двигателя подаваемый в цилиндры воздух охлаждается в дополнительном охладителе 15, жидкостновоздушной секции 11и воздуха-воздушной. секции 12 теплообменника, В случае, если черезмерное охлаждение воздуха недопустимо, то часть нагретого после объемного нагнетателя 8 воздуха по перепускному каналу

13 направляется непосредственно во впускной трубопровод 1 двигателя, Формула изобретения

1, Турбокомпаундный двигатель внутреннего сгорания, содержащий систему жидкостного охлаждения, впускной трубопровод, сообщенный с органами впуска каждого цилиндра, по меньшей мере два выхлопных коллектора, первый из которых объединяет основные органы выпуска отработавших газов из цилиндров, а второй — . дополнительные органы выпуска отрабогавших газов из цилиндров, и многоступенчатое устройство утилизации энергии отработавших газов, выполненное в виде по меньшей мере двух турбинных ступеней с выпускными патрубками, первая из которых подключена к первому выхлопному коллектору, а впускной патрубок второй турбинной ступени подключен к второму выхлопному коллектору и дополнительно связан с выпускным патрубком первой турбинной ступени, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективных показателей, двигатель дополнительно снабжен объемным нагнетателем с приводом от коленчатого ва-. ла двигателя и устройством для охлаждения объемного нэгнетателя, причем объемный нагнетатель подключен выпускным патрубком к впускному трубопроводу двигателя.

2. Двигатель по п. 1. о тл и ч а ю щи йс я тем, что устройство охлаждения объемного нагнетателя выполнено в виде отключаемого вентилятора с кожухом, охватывающим корпус обьемного нагнетателя.

3. Двигатель по пп. 1 и 2, о т л и ч э юшийся тем, что объемный нагнетатель выполнен с внутренним сжатием.

4. Двигатель по пп. 1 — 3, о т л и ч а юшийся тем, что между выходным патрубком обьемного нагнетателя и впускным трубопроводомдом д в ига тел я установлен теплообменник с перепускным каналом, на входе в который установлена управляемая заслонка.

5, Двигатель по и, 4, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что теплообменник выполнен в виде двух секций, одна из которых выполнена воздухо-воздушной, а вторая — жидкостновоздушной.

1714172 б:; Двигатель по п. 5, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что жидкостно-воздушная секция теплообменника сообщена с системой жидкостного охлаждения двигателя.

7. Двигатель по пп. 1 — 6, о т л и ч а ю щ- 5 и и с я тем. что он снабжен дополнительным компрессором наддува. первая турбинная ступень выполнена в виде привода компрессора наддува и образует с ним турбокомпрессор, воздухонэпорный патрубок 10 которого подключен к впускному патрубку обьемного нагнетателя. а вторая турбинная ступень выполнена в виде силовой турбины, кинематически связанной с коленчатым валом двигателя.

8. Двигатель по и. 7, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что между воздухонапорным патрубком турбокомпрессора и впускным патрубком объемного нагнетатеЛя установлен дополнительный воздухо-воздушный охладитель, 1714172

Составитель Н,Лапушкин

Техред M.Mîðãåíòàë: Корректор M.Äåì÷èê

Редактор О.Хрипта

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

Заказ 673 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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