Силовая установка

 

Сущность изобретения: установка содержит дизельный двигатель воздушного охлаждения 1 с дефлекторами 2. выпускным 3 и впускным 4 трубопроводами , основной турбокомпрессор 5.6. компрессор 6 которого соединен через охладитель 7 наддувочного воздуха с впускным трубопроводом 4 двигателя 1, турбовентилятор 8,9, связанный с основным турбокомпрессором выпускной магистралью 10, подающей выпускные газы через регулирующий орган 11, соединенный с блоком 12 управления по трубопроводу 13 на активные сопла 14, установленные в кокфузорном аэродинамическом канале 15. в котором расположены охладители наддувочного воздуха 7 и масла 16. Выход аэродинамического канала 15 соединен трубопроводом 17с газовым эжектором 18, установленным на выхлопном патрубке турбины 8 турбовентилятора Турбовентилятор 9, преимущественно осевого типа, подключен выпускной магистралью 19 к приемным окнам дефлектора 2, в которой заключен охлаждаемые элементы двигателя 1 внутреннего сгорания Регулирование наддува и охлаждения двигателя наддувочного воздуха и мзсла производится изменением количества выпускных газов турбины наддувочного турбокомпрессора, перепускаемых на газовые эжекторы аэродинамического канала и на турбину турбовентилятора в зависимости от режима работы двигателя 2 ааф-лы, 1 ил.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Комитет Российской Федерации но патентам и товарным знакам (21) 5012388/06 (22) 15.07.91 (45) 30.11.93 Бюл. Na 43-44 (71) Волгоградский политехнический институт

P2) Приходько М.С„Староверов В.В„Симсон АЭ:, Андропов ВП:, Рейн В.Ф.

P3) Волгоградский политехнический институт (54) СИЛОВАЯ УСТАНОВКА (87) Сущность изобретения: установка содержит дизельный двигатель воздушного охлаждения 1 с рефлекторами 2, выпускным:3 и впускным 4 трубопроводами, основной турбокомпрессор 5,6. компрессор 6 которого соединен через охпадитель 7 наддувочного воздуха-с впускным трубопроводом 4 двигателя 1, турбовентилятор 8, 9, связанный с основным турбокомпрессором выпускной магистралью

10, подающей выпускные газы через регулирующий орган 11, соединенный с блоком 12 управле(в) RU (щ 2003837 С1 (Я) 5 F02ВЗТ ()О ния, по трубопроводу 13 на активные сопла 14, yc— тановленные в конфузорном аэродинамическом канале 15, в котором расположены охладители наддувочного воздуха 7 и масла 16. Выход аэродинамического канала 15 соединен трубопроводом 17 с газовым эжектором 18, установленным на выхлопном патрубке турбины 8 турбовентилятора Турбовентилятор 9, преимущественно осевого типа, подключен выпускной магистралью 19 к приемным окнам дефлектора 2, в которой заключен охпаждаеMbte элементы двигателя 1 внутреннего сгорания.

Регулирование наддува и охлаждения двигателя, наддувочного воздуха и масла производится изменением количества выпускных газов турбины наддувочного турбокомпрессора, перепускаемых на газовые эжекторы аэродинамического канала и на турбину турбовентилятора в зависимости от режима работы двигателя. 2 зл.ф-лы, 1 ил.

2003817

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания типа 8ДВТ с ГТН, содержащий по меньшей мере один цилиндр с крышкой, снабженной оребрением, и вентилятор, обеспечивающий подачу воздуха на охлаждение цилиндров и наддувочного воздуха.

Вентилятор имеет привод через гидромуфту от вала отбора мощности (см. справочник

"Тракторные дизели". M.: Машиностроение, 1981, с.536. В таких двигателях энергия выпускных газов утилизируется недостаточно, а энергия, затрачиваемая на привод вентилятора, в последующих процессах не компенсируется, что существенно снижает его показатели эффективности, Кроме того; в такой установке практически отсутствует регулирование наддува двигателя.

Известно устройство для регулирования транспортного двигателя (а.с, И. 323983, кл. F 02 8 37/08„1977), в котором с целью повышения эффективности наддува перепускной патрубок снабжен соплом; помещенным в выпускной коллектор за турбиной для создания эжекции, а дроссель связан с органом задания режима двигателя, Техническое решение относится к тепловозным дизелям, располагающим возможностями размещения крупногабаритных систем и устройств, Такое устройство обладает неплохими свойствами регулирования топливной экономичности на различных режимах работы дизеля, Однако такие свойства могут проявляться лишь при небольшой степени наддува (до Пк=2). При других условиях рассматриваемое устройство может не дать желаемых результатов по регулированию вследствие усиления влияния динамики потока газа и ухудшения КПД турбины и компрессора ТК. Кроме того, двигатели с таким устройством всегда имеют недостаточную утилизацию энергии выпускных газов. (газы высокой температуры выпускаются, минуя турбину ТК, через сопло в атмосферу).

Известна система охлаждения для двигателя внутреннего сгорания (а;с. N 727866, кп. F 02„1980), в которой с целью уменьшения габаритов системы охлаждения воздух окружающей среды через радиатор прока-" чивается потоком выпускных газов из двух сопл. При этом смесь воздуха после радиатора и потока газов выходит через камеру смешения и диффузор за ней в атмосферу.

Авторам удалось расположить систему в и ределах пространства под радиатором. Однако такая возможность появляется у транспортных средств, имеющих двигатели сравнительно большой мощности (йе="500 кВт), генериру6

10 ющих значительное количество газов с малоизменяемыми режимами работы. В таких системах возможно лишь ограниченное регулирование плотности охлаждаемого наддувочного воздуха путем изменения скорости потока газа на выходе из сопл, Кроме того, в таком техническом решении слабо представлена утилизация энергии выпускных газов.

Известно устройство для наддува двигателя внутреннего сгорания (а.с. М 859661, кл. F 02 В 37/00, 1981), включающее в себя два последовательно расположенных турбокомпрессора (высокого и низкого давления), перепускные каналы тазов после турбины высокогодавления. и воздуха перед компрессором высокого давления, причем каждый из.каналов снабжен дросселем, а после двигателя перед турбиной высокого

20 давления расположена дополнительная камера сгорания. На номинальном режиме работают оба турбокомпрессора при закрытых дросселях. На промежуточных режимах двигателя открываются обадросселя и газ после первой турбины перепускается мимо турбины низкого давления в атмосферу, а воздух всасывается из атмосферы компрессором высокого давления, т.е, в этом случае система двухступенчатого наддува

30 преобразуется в одноступенчатую с работающим ТК высокого давления, При этом подрегулировка наддува производится включением дополнительной камеры сгорания, Такое регулирование наддува применя35 ется в специальных целях и теряет смысл, как только расход дополнительного топлива в камере начинает превышать выигрыш от снижения насосных потерь в двигателе.

Кроме того, именно в этот период в установке исключается утилизация энергии выпускных газов после турбины TK высокого давления. В этом плане указанное техническое решение может иметь лишь ограниченную степень регулирования наддува на промежуточных режимах работы двигателя, Существенным недостатком при этом является и отсутствие утилизации энергии выпускных газов на указанных режимах.

Известна турбина с регулируемым про50 ходным сечением соплового аппарата (патент США М 4776168, кп. 60!602, опубл.

11.10,88). содержащая меридиональную перегородку, разделяющую ее улитку на две части, через одну из которых газ от двигате55 ля поступает радиально йа лопатки рабочего колеса, а через другую часть — в осевом направлении. При этом в выходном патрубке турбины расположена регулирующая втулка, автоматически перемещаемая в осевом направлении. в зависимости.от режима

2003817

10

40

50 единой системой турбокомпрессор-турбо. еентилятор-теплообменник-аэродинамнче

55 работы двигателя, При номинальной частоте вращения вала втулка открывает доступ

ОГ из обеих. полостей и турбина работает со смещенным потоком ОГ. При частоте вращения вала ротора в режиме максимального крутящего момента ОГ поступают только в полость осевого направления и турбина работает как осевая, обеспечивая повышение эффективности наддува е этом режиме.

Однако техническое решение имеет существенные недостатки. Практически рассматривается лишь двухступенчатое регулирование: на номинальной частоте вращения ротора и на режиме максимального крутящего момента. Регулирование на других режимах не просматривается. Кроме регулирования втулкой закрытия и открытия полостей улитки возникает необходи.мость и соответственно регулирование перепуска выпускных. газов двигателя перед турбиной. Синхронизация этих процессов.неоднозначна. Кроме того, отсутствует связь всего метода регулирования с охлаждением наддувочного воздуха, что может вызвать отрицательные последствия в работе всей системы наддува.

Известна система управления дьигателем с наддувом (заявка Японии, № 60-7572 f, кл. F. 02. В 37/00, опубл. 30.64.85), включающая в себя три нагнетателя, из которых первый и третий — турбинного типа, а второй— в.виде инерционного устройства. Для обеспечения эффективного питания двигателя воздухом на всех режимах нагнетатели включаются соответственно при высоких, средних и низких частотах вращения вала двигателя. Система представляет интерес, так как позволяет регулировать наддув двигателя е зависимости от режима его работы исключением того или иного нагнетателя, Однако многозеенность переключений механизмов вызывает сложность их устойчивой настройки и поддержание работоспособности, что сужает возможный диапазон регулирования. Кроме того, в такой системе 4 отсутствует утилизация энергии выпускных газов после каждого из нагнетателей, Известна установка.для наддува двигателя внутреннего сгорания. (а.с, ¹ 178243, кл. F 02 С 19бб), содержащая дее турбины, работающие на выпускных газах двигателя, первая из которых вращает компрессор наддува, а вторая — вентилятор, просасыеающий воздух окружающей среды через ра. диатор системы жидкостного охлаждения двигателя. Причем с целью повышения экономичности двигателя на частичных режимах его работы турбины включаются последовательно по ходу газов. Такое техническое решение представляет интерес не только с точки зрения охлаждения двигателя, но и для регулирования наддува. Однако оно имеет существенные недостатки: совместимость работы вентилятора и турбины возможна только через механический редуктор. что не только усложняет установку, но и снижает надежность ее работы: отсутствуют признаки регулирования охлаждения наддувочного воздуха (эта заявка выбрана е качестве прототипа).

Целью изобретения является повышение эффективности работы установки во всем диапазоне эксплуатационных режимов, надежности охлаждения двигателя и утилизации энергии выпускных газов.

Цель достигается тем, что в силовой установке, содержащей дизельный двигатель внутреннегосгорания сдефлекторами, турбокомпрессор (ТК), турбоеентилятор(ТВ), работающий на выпускных газах ТК, охладитель наддуеочного воздуха (ОН В) и масла (0M), по крайней мере одно активное газовое сопло, эжектирующее воздух окружающей среды, регулирующий газораспределительный орган, соединенный с блоком управления, выпускная магистраль турбины ТК соединена через регулирующий орган с впускной магистралью турбины ТВ и дополнительно соединена с по крайней мере одним активным газовым соплом, установленным в аэродинамическом канале, в котором расположены охладители наддувочного воздуха и масла. Активные газовые сопла располагаются в аэродинамическом канале, имеющем конфузорную геометрию по направленгно движения охлаждающей среды, после охладителей наддувочного воздуха и масла, а выходная магистраль конфузорного канала соединена с газовым эжектором, установленным на выпускном патрубке турбины ТВ, При этом турбовентилятор преимущественно осевого типа подключен выпускной магистралью к приемным окнам дефлектора, в который заключены охлаждаемые элементы двигателя внутреннего сгорания.

Новым является то, что охлаждение двигателя, наддуеочного воздуха., масла и регулирование степени наддува на различных режимах работы двигателя производятся ский конфузорный канал и активные сопла через регулирующий дроссель с помощью энергии выпускных газов основного турбокомпрессора, что повышает степень утилизации энергии выпускных газов двигателя и воздуха окружающей среды. 8 этом случае отпадает необходимость 0 использовании громоздкОГО привода вентилятора для одно временного охлаждения двигателя и тепло2003817 обменных аппаратов потоком воздуха малых скоростей (как это предусмотрено в базовом двигателе); исключается необходимость многореагентности наддувочных агрегатов при регулировании наддува последовательным их включением или выключением; Турбовентилятор, подключенный к выпускной магистрали турбокомпрессора наддувочного воздуха, работает параллельно с аэродинамическим каналом, в котором установлены охладители наддувочного воздуха и масла, и последовательно с газовым эжекто ром, установленным на вы.ходе системы, что позволяет осуществить гибкое регулирование наддува и охлаждения наддувачного воздуха, масла и поверхностей двигателя в широком диапазоне режимов работы силовой установки.

Иа чертеже представлена схема предложенной установки.

Установка содержит дизельный двигатель 1 воздушного охлаждения с дефлекторами 2, выпускным 3 и впускным 4 трубопроводами, основной турбокомпрессор 5-6, компрессор 6 которого соединен через охладитель 7.наддувочного воздуха с впускным трубопроводом 4.двигателя 1, турбовентилятор 8-9, связанный с основным турбокомп рессорам выпускной магистралью 10, подающей выпускные газы через регулирующий орган 11, соединенный с блоком 12 управления по трубопроводу 13 нэ активные сопла 14, установленные в конфуэорном аэродинамическом канале 15, в котором расположены охладители наддувочного воздуха 7 и масла 16. Выход аэродинамического канала 15 соединен трубопроводом 17 с газовым эжектором 18, установленным на выхлопном патрубке турбины 3 турбовентилятора, Турбовентилятор

9, преимущественно осевого типа, подключен выпускной магистралью 19 к приемным окнам дефлектора?, в который заключены охлаждэемые элементы двигателя 1 внутреннего сгорания.

Силовая установка работает следующим образом. Газы, отработавшие в двигателе 1, подаются в турбину 5 компрессора, откуда по трубопроводу 10 через регулирующий орган 11, управляемый блоком 12, распределяются между силовой турбиной

8 турбовентилятора; вращающей вентиля-mp 9, и активными соплами 14, эжектирующими воздух окружающей среды через охладители наддувочного воздуха 7 и масла 16, расположенные в конфузорном аэродинамическом канале 15. Смесь подогретого при омывании теплообменных аппаратов 7 и 16 патока воздуха окружающей .среды и затопленных струй газов после сопл

14 по отводному трубопроводу 17 подается в газовый эжектор 18, в котором в зависимости от режима работы установки либо понижают давление на выходе силовой турбины

8, либо отсасываются потоком выходящим из нее газов. Регулирование температурного режима двигателя производится с помощью регулирующего органа 11, управляемого блоком 12, имеющего датчики температуры, установленные на соответствующих элементах установки. На максимальном и номинальном режимах работы двигателя примерно половина выпускных

10 газов турбины 5 поступает на силовую турбину 8, обеспечивая охлаждение с помощью осевого вентилятора 9 теплонапряженных элементов двигателя. Другая часть газов подается на активные сопла 14, эжектирующие затопленными струями газа воздух окружающей среды и прокачивающие его через охладитель 7 наддувочного. воздуха и охладитель 16 масла, обеспечивая тем самым поддержание необходимого температурного режима.

На частичных режимах работы двигателя большая часть выпускных газов турбины

5 перепускается на силовую турбину 8, вращающую вентилятор 9, и меньшая часть — на активные сопла 14. В этом случае возрастает противодавление за турбиной 5 (силовая турбина 8 создает большее противодавление. чем сопла 14), увеличивается частота вращения ее вала и компрессора 6, вследствие чего повышается давление и количество воздуха, поступающего в двигатель. В известных системах при таких условиях происхо30

35 дит снижение как давления наддува, так и проиЗводительности компрессора вследствие качественного изменения параметров выпускных газов двигателя, Охлаждение наддувочного воздуха и

40 масла нэ частичных режимах при малом перепуске выпускных газов турбины 5 на cowe 14 обеспечивается, во-первых, зэ счет счет эжектирования воздуха отходящими газами турбины 8 в эжекторе l8, а также ээ счет самотяги s аэродинамическом канале

15 вследствие его конфузорности в направлении потока охлаждающего воздуха, Предлагаемая силовая установка имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом и аналогами: охлаждение теп55 лонапряженных поверхностей двигателя, наддувочного воздуха и масла, а также регулирование степени наддува на частичных режимах работы установки производится за счет вторичных энергоресурсов путем использования энергии выпускных газов ос45: снижения температурного уровня сжатого воздуха. в компрессоре 6 и:, во-вторых, за

2003817

15

25

35

55 новного турбокомпрессора в турбовентиляторе и в активных соплах, струи которых эжектируют воздух окружающей среды через аэродинамический канал с расположенными в нем охладителями наддувочного воздуха и масла; отпадает необходимость в использовании громоздкого вентилятора (как это предусмотрено в базовом двигателе), приводимого через гидромуфту от вала отбора мощности двигателя для одновременного охлаждения двигателя, наддувочного воздуха и масла, вследствие раздельного охлаждения двигателя высокоскоростным осевым вентилятором, приводимым от силовой турбины и охладителей наддувочного воздуха -и масла, установленных в конфузорном аэродинамическом канале, воздухом окружающей среды, эжектируемым затопленными струями газа иэ активных сопл; отпадает необходимость регулирования давления перед двигателем путем использования многореагентного наддува (как:это предусмотрено в заявке

60 — 75721 и др.) вследствие предлагаемого регулирования наддува перепуском выпускных газов на турбовентилятор или на эжектирующее устройство аэродинамического канала с теплообменными аппаратами; позволяет использовать свойства затопленной струи выпускных газов турбокомпрессора и смеси их с зжектируемым воздухом окружающей среды не только для охлаждения наддувочного воздуха и масла в теплообменниках аэродинамического канала, но и для снижения давления на выходе газов из силовой турбины, обеспечивающей вращение вентилятора и повышающей противодавление на выпуске газов из турбокомпрессора; позволяет использовать турбовентилятор для непосредственного . интенсивного охлаждения теплонапряженных поверхностей двигателя потоком воздуФормула изобретения

1. СИЛОВАЯ УСТАНОВКА. содержащая по меньшей мере один рабочий цилиндр двигателя внутреннего сгорания с головкой, дефлектором и ребрами воздушного охлаждения, впускной и выпускной трубопроводы, турбокомпрессор, подключенный компрессором к впускному трубопроводу через охладитель наддувочного воздуха, а турбиной - к выпускному трубопроводу, и турбовентилятор, связанный входом турбины через регулирующий орган с турбиной турбокомпрессора, а выходом турбины - с атмосферой, отличающаяся тем, что, с целью . повышения эффективности, она снабжена газовыми соплами, охладителем ха вместо опосредованного при жидкостном охлаждении, как это предусмотрено в прототипе (а.с, М 178243); раздельное охлаждение наддувочного воздуха и масла в аэродинамическом канале и двигателя с помощью турбовентилятора позволяет по сравнению с прототипом увеличить степень регулирования давления наддува на частичных нагрузках путем перепуска выпускных газов турбокомпрессора на активные сопла или силовую турбину; позволяет эффективно охлаждать наддувочный воздух и масло на номинальном и близких к нему режимах в теплообменниках, установленных в аэродинамическом канале. за счет использования потока эжектируемого воздуха окружающей среды с помощью струй газа из активных сопл и на частичных режимах при работающем турбовентиляторе — за счет эжектирования воздуха окружающей среды, протекающего в конфузорном аэродинамическом канале, газами, выходящими из силовой турбины турбовентилятора; позволяет по сравнению с прототипам увеличить степень утилизации энергии отработавших газов путем использования смеси газов, выходящих иэ активных сопл, и эжектируемого воздуха окружающей среды для снижения давления на выпуске газов силовой турбины.

Указанные преимущества позволяют производить комплексную утилизацию энергии выпускных газов и воздуха окружающей среды, способствующую не только повышению эффективности охлаждения двигателя и наддувочного воздуха, но и улучшению регулирования наддува, что существенно улучшает основные характеристики силовой установки и.ee экологические свойства. (56) Авторское свидетельство СССР

N179243,,кл. F02 С 3/00,,1966. масла и аэродинамическим каналом, причем турбина турбокомпрессора через регулирующий орган связана по меньшей мере с одним газовым соплом, установленным вместе с охладителчми масла и наддувочного воздуха в аэродинамическом канале.

2. Установка flo п.1, отличающаяся тем, что она снабжена газовым эжектором, связанным с выходом турбовентилягора, а аэродинамический канал выполнен конфузорным по направлению охлаждающего воздуха и выходом подключен K газовому эжектору.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что турбовентилятор выполнен осевым и подклЮчен выпускной магистралью к дефлектору.