Тепловая машина
Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Тепловая машина (100) содержит двигатель (10) внутреннего сгорания со стороной (AG) выпуска отработавших газов и стороной (LL) наддувочной текучей среды и систему наддува. Система наддува включает в себя турбонагнетатель (20) отработавших газов для наддува двигателя (10) внутреннего сгорания, снабженный компрессорной системой на стороне (LL) наддувочной текучей среды и турбинной системой на стороне (AG) выпуска отработавших газов, и компрессор (41), первичная сторона (41.1) которого подключена к стороне (LL) наддувочной текучей среды, а вторичная сторона (41.2) которого - к стороне (AG) выпуска отработавших газов. Система наддува также включает в себя систему (30) рециркуляции отработавших газов, снабженную рециркуляционным трубопроводом (39) для отработавших газов от стороны (AG) выпуска отработавших газов двигателя (10) внутреннего сгорания к стороне (LL) наддувочной текучей среды двигателя (10) внутреннего сгорания. Турбонагнетатель (20) имеет одну ступень (ND) низкого давления и одну ступень (HD) высокого давления. Ступень (ND) низкого давления имеет низконапорный компрессор (22) компрессорной системы, привод которого осуществляется низконапорной турбиной (21) турбинной системы. Ступень (HD) высокого давления имеет высоконапорный компрессор (24) компрессорной системы, привод которого осуществляется высоконапорной турбиной (23) турбинной системы. Компрессор (41) предназначен для сжатия наддувочной текучей среды из ступени (ND) низкого давления и подачи сжатой наддувочной текучей среды к ступени (HD) высокого давления. Первичная сторона (41.1) компрессора (41) подключена к вторичной стороне (22.1) низконапорного компрессора (22), а его вторичная сторона (41.2) - к первичной стороне (23.1) высоконапорной турбины (23). Раскрыто транспортное средство, снабженное тепловой машиной. Технический результат заключается в повышении количества надувочного воздуха и в повышении динамики движения транспортного средства. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение касается тепловой машины, имеющей: двигатель внутреннего сгорания со стороной выпуска отработавших газов и стороной наддувочной текучей среды; систему наддува, включающую в себя турбонагнетатель отработавших газов для наддува двигателя внутреннего сгорания, снабженный компрессорной системой на стороне наддувочной текучей среды и турбинной системой на стороне выпуска отработавших газов, и компрессор, первичная сторона которого подключена к стороне наддувочной текучей среды, а вторичная сторона которого - к стороне выпуска отработавших газов. Изобретение касается также транспортного средства, снабженного тепловой машиной.
Из DE 19837978 A1 известна тепловая машина, снабженная турбонагнетателем отработавших газов для двухступенчатого наддува двигателя внутреннего сгорания и системой рециркуляции отработавших газов, при этом предусмотрен рециркуляционный трубопровод отработавших газов к вторичной стороне высоконапорного компрессора.
Из GB 2121474 A известна тепловая машина, снабженная турбонагнетателем отработавших газов для двухступенчатого наддува двигателя внутреннего сгорания. При этом предусмотрен компрессор, который может обеспечивать сжатый воздух в воздушном ресивере, который при активировании педали может предоставляться турбонагнетателю отработавших газов.
Вышеназванная тепловая машина известна из DE 10315148 A1. Эта машина имеет турбонагнетатель отработавших газов, снабженный компрессором и турбиной, а также дополнительно компрессором для сжатия воздуха из окружающей среды. Клапан для включения пути течения на вторичной стороне компрессора в первом положении служит для того, чтобы соединять вторичную сторону компрессора с первичной стороной турбины. Для этого предусмотрен надлежащий соединительный трубопровод, по которому нагнетаемый компрессором воздух подается к первичной стороне турбины, и благодаря этому частота вращения турбины может повышаться. Вследствие повышенной таким образом частоты вращения турбонагнетателя отработавших газов повышается давление наддувочного воздуха, забираемого из окружающей среды и затем сжимаемого. При превышении некоторого предельного значения во втором положении клапана сжатый компрессором воздух может нагнетаться к вторичной стороне турбины и таким образом выпускаться.
Оказалось, что такая силовая машина еще может быть усовершенствована.
Здесь применяется это изобретение, задачей которого является предложить тепловую машину, которая имеет усовершенствованную систему наддува, в частности, усовершенствованную систему наддува, у которой компрессор подключен усовершенствованным образом. В частности, тепловая машина должна иметь улучшенное давление наддува.
Задача касательно тепловой машины решается изобретением с помощью тепловой машины вышеназванного рода, у которой в соответствии с изобретением предусмотрено, что система наддува включает в себя также: систему рециркуляции отработавших газов, снабженную рециркуляционным трубопроводом для отработавших газов от стороны выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания к стороне наддувочной текучей среды двигателя внутреннего сгорания, при этом турбонагнетатель отработавших газов для двухступенчатого надува двигателя внутреннего сгорания имеет ступень низкого давления и ступень высокого давления. В соответствии с изобретением также предусмотрено, что ступень низкого давления имеет низконапорный компрессор компрессорной системы, привод которого осуществляется низконапорной турбиной турбинной системы, а ступень высокого давления имеет высоконапорный компрессор компрессорной системы, привод которого осуществляется высоконапорной турбиной турбинной системы. Кроме того, в соответствии с изобретением предусмотрено, что компрессор выполнен для сжатия наддувочной текучей среды из ступени низкого давления и подачи сжатой наддувочной текучей среды в ступень высокого давления, при этом первичная сторона компрессора подключена к вторичной стороне низконапорного компрессора, а вторичная сторона компрессора - к первичной стороне высоконапорной турбины.
В общем, под компрессором следует понимать конструктивный элемент для сжатия наддувочной текучей среды. В частности, под компрессором следует понимать конструктивный элемент для сжатия наддувочной текучей среды, привод которого осуществляется с помощью механического привода. Компрессор может также приводиться посредством привода турбины. В частности, предпочтительным оказался компрессор, выполненный в виде винтового компрессора.
Изобретение исходит из рассуждения о том, что система наддува у тепловой машины вышеназванного рода, в частности, для улучшенного внутри двигателя восстановления NOx, может предпочтительным образом дополняться системой рециркуляции отработавших газов. Изобретение предусматривает рециркуляционный трубопровод для отработавших газов от стороны выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания к стороне наддувочной текучей среды двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, изобретение обнаружило также, что тепловые машины, в частности дизельные двигатели, могут еще совершенствоваться с помощью системы рециркуляции отработавших газов и системы турбонаддува отработавших газов, в частности, при сравнительно небольших частотах вращения. При небольших частотах вращения было обнаружено, что, во-первых, сравнительно высокие скорости рециркуляции отработавших газов - для соблюдения предельных значений NOx - не всегда реализуемы желательным образом. Во-вторых было обнаружено, что - в случае высоких скоростей рециркуляции отработавших газов - может наступить определенный недостаток свежего воздуха в наддувочном воздухе. Недостаток свежего воздуха может неблагоприятно сказываться на свойствах ускорения оснащенного тепловой машиной транспортного средства. В результате этих противоположных проблем может возникнуть ситуация, в которой предельные значения эмиссий NOx не достигаются или достигаются только недостаточно, и/или реализуется недостаток динамики движения транспортного средства.
Изобретение решает эти проблемы посредством применения турбонагнетателя отработавших газов для двухступенчатого надува двигателя внутреннего сгорания, включающего в себя ступень низкого давления и ступень высокого давления в соответствии с отличительной частью п.1 формулы изобретения. При этом изобретение обнаружило, что компрессор для сжатия наддувочной текучей среды может интегрироваться особенно предпочтительным образом, при этом он должен быть выполнен в меньшей степени для сжатия воздуха из окружающей среды, чем, напротив, для сжатия наддувочной текучей среды из ступени низкого давления и для подачи сжатой наддувочной текучей среды в ступень высокого давления. В соответствии с изобретением предусмотрено, что первичная сторона компрессора подключена к вторичной стороне низконапорного компрессора, а вторичная сторона компрессора - к первичной стороне высоконапорной турбины. Изобретение делает возможным особенно предпочтительным образом дополнительное и особенно высокое увеличение давления посредством компрессора при двухступенчатом турбонагнетателе отработавших газов перед высоконапорной турбиной турбинной системы, которая благодаря этому дополнительно и достаточно сильно обдувается. Предпочтительным образом изобретение обнаружило, что благодаря этому, во-первых, может достигаться такой сильный отрицательный перепад давления продувки - а именно, отрицательная разность давления между давлением на стороне наддувочной текучей среды и давлением на стороне выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания - что он достаточен даже при сравнительно небольших частотах вращения двигателя внутреннего сгорания для сравнительно высоких скоростей рециркуляции отработавших газов. Во-вторых, благодаря сравнительно повышенного дополнительного увеличения давления перед высоконапорной турбиной посредством компрессора высоконапорный турбонагнетатель при эксплуатации остается скорее на высоких частотах вращения, так что даже в стационарном или переходном режиме двигателя внутреннего сгорания имеется в распоряжении достаточное давление наддува наддувочной текучей среды и вместе с тем свежий воздух. Это приводит к сравнительно низкому уровню дыма. В целом концепция изобретения приводит, во-первых, к улучшенным свойствам срабатывания тепловой машины, в частности, при частичной нагрузке, при все еще хороших скоростях рециркуляции отработавших газов даже при частичной нагрузке.
Фундаментальная проблема тепловых машин, снабженных системой рециркуляции отработавших газов в соответствии с поясненными выше противоположными проблемами между скоростями рециркуляции отработавших газов, с одной стороны, и возможностью использования свежего воздуха, с другой стороны, таким образом, решается. Оказалось, что концепция изобретения является достаточной, чтобы удовлетворять даже завышенным предельным значениям NOx, без необходимости предусматривать у тепловой машины дополнительную последующую обработку отработавших газов. Несмотря на это, тепловая машина в соответствии с концепцией изобретения даже при высоких скоростях рециркуляции отработавших газов проявила сравнительно высокую динамику движения.
В частности, концепция изобретения приводит к тепловой машине, снабженной двигателем внутреннего сгорания в виде рядного двигателя - будь то рядный четырехцилиндровый или рядный шестицилиндровый двигатель. Эта концепция также является предпочтительной для V-образного двигателя. В частности, двигатель выполнен в виде среднеоборотного или высокооборотного двигателя, так что при сравнительно низких частотах вращения могут реализовываться сравнительно высокие средние давления. Так, оказалось, что у высокооборотного двигателя с частотами вращения в диапазоне от 500 до 2300 об/мин, в частности у высокооборотного двигателя с частотами вращения в диапазоне от 900 до 2000 об/мин может обеспечиваться значительный подъем средних давлений, достигающий 40%.
Концепция изобретения приводит также к транспортному средству, в частности, транспортному средству промышленного назначения, снабженному тепловой машиной в соответствии с концепцией изобретения. В частности, предпочтительным оказалось применение тепловой машины в соответствии с концепцией изобретения на тракторе, строительном транспортном средстве или перевозочном транспортном средстве.
Другие предпочтительные усовершенствования изобретения содержатся в зависимых пунктах формулы изобретения и указывают, в частности, предпочтительные возможности реализации поясненной выше концепции в рамках поставленной задачи, а также в отношении других преимуществ.
В принципе, система рециркуляции отработавших газов может быть выполнена в виде по меньшей мере одноступенчатой низкотемпературной системы рециркуляции отработавших газов и, иметь для этого по меньшей мере один теплообменник. Система рециркуляции отработавших газов может предпочтительно иметь по меньшей мере один, в частности, регулируемый дроссель. Дроссель может быть выполнен, например, в виде дроссельной заслонки или тому подобного закрывающего трубу и/или сужающего средства. В отношении выполненного двухступенчатого турбонагнетателя отработавших газов особенно предпочтительной оказалась система рециркуляции отработавших газов в виде двухступенчатой низкотемпературной системы рециркуляции отработавших газов. Низкотемпературная система рециркуляции отработавших газов имеет предпочтительно в первой ступени первый, а во второй ступени второй теплообменник. Посредством двухступенчатой низкотемпературной системы рециркуляции отработавших газов может особенно предпочтительным образом подгоняться температура, в частности, плотность, рециркулирующих отработавших газов в зависимости от рабочего состояния тепловой машины, например, состояния пуска, или же стационарного или переходного состояния. В частности, предпочтительным оказалось, чтобы вторая ступень системы рециркуляции отработавших газов имела основной трубопровод - предпочтительно рециркуляционный трубопровод - снабженный вторым теплообменником, и отдельный от него байпасный трубопровод. Байпасный трубопровод подключен ко второму теплообменнику с первичной стороны и вторичной стороны и обеспечивает, таким образом, путь в обход второго теплообменника для течения отработавших газов. Эта мера в итоге приводит к тому, что вторая ступень низкотемпературной системы рециркуляции отработавших газов может активироваться и деактивироваться по потребности. В случае активации отработавшие газы протекают через второй теплообменник. В случае деактивации отработавшие газы направляются в обход второго теплообменника через байпасный трубопровод.
Для достижения достаточной компрессии наддувочной текучей среды - в частности, наддувочного воздуха, или, соответственно, при необходимости смеси наддувочного воздуха и отработавших газов - оказалось особенно предпочтительно, снабдить ступень низкого давления турбонагнетателя отработавших газов на стороне наддувочной текучей среды низконапорным теплообменником. Низконапорный теплообменник предпочтительно расположен между низконапорным компрессором и высоконапорным компрессором. Оказалось также предпочтительно, снабдить ступень высокого давления турбонагнетателя отработавших газов на стороне наддувочной текучей среды высоконапорным теплообменником. Высоконапорный теплообменник оказался предпочтительным для того, чтобы подавать наддувочную текучую среду, подаваемую в двигатель внутреннего сгорания, при как можно более низкой температуре. В общем, в этом усовершенствовании было открыто подключение после сжатия наддувочной текучей среды охлаждения наддувочной текучей среды. Это приводит к предпочтительно повышенной плотности наддувочной текучей среды, так что может выбираться особенно высокое соотношение воздуха и топлива в наддувочной текучей среде, т.е. возможна подача сравнительно большого количества свежего воздуха. Это приводит к сравнительно низкой эмиссии NOx, а также к предпочтительно низкому уровню дыма.
Эти преимущества в усиленной мере достигаются с помощью предусмотренного в соответствии с концепцией изобретения компрессора для сжатия наддувочной текучей среды из ступени низкого давления и подачи сжатой наддувочной текучей среды к ступени высокого давления, там в высоконапорную турбину. Дополнительно вышеупомянутым образом повышается отрицательный перепад давления продувки, что приводит к сравнительно высоким скоростям рециркуляции отработавших газов практически во всем диапазоне частот вращения, и в рамках вышеназванной повышенной динамики движения к лучшим свойствам срабатывания двигателя внутреннего сгорания, даже при частичной нагрузке. В зависимости от потребности, первичная сторона компрессора может быть подключена между низконапорным теплообменником и высоконапорным компрессором. Эта мера подключения первичной стороны компрессора к вторичной стороне низконапорного теплообменника оказалась особенно предпочтительной для эффективного и наилучшего возможного сжатия наддувочной текучей среды. Тем не менее - например, при согласовании с выбранными размерами теплообменника, в частности, низконапорного теплообменника и/или высоконапорного теплообменника - первичная сторона компрессора может быть также подключена непосредственно между низконапорным компрессором и низконапорным теплообменником. Можно также, например, выполнить ступень низкого давления турбонагнетателя отработавших газов на стороне наддувочной текучей среды без теплообменника. При необходимости турбонагнетатель отработавших газов даже при двухступенчатом исполнении может быть снабжен только одним единственным теплообменником соответствующих размеров. Первичная сторона компрессора может быть в этом случае подключена непосредственно между низконапорным и высоконапорным компрессором.
Следует также понимать, что под наддувочной текучей средой в принципе надо понимать наддувочный воздух. Тем не менее, рециркуляционный трубопровод системы рециркуляции отработавших газов может быть подключен к стороне наддувочной текучей среды двигателя внутреннего сгорания так, что рециркулирующие отработавшие газы по необходимости могут подаваться к различным местам стороны наддувочной текучей среды. Например, отработавшие газы могут подаваться к стороне наддувочной текучей среды на вторичной стороне высоконапорного компрессора и/или высоконапорного теплообменника - в частности, практически непосредственно в отвод наддувочной текучей среды двигателя внутреннего сгорания. Тем не менее, возможны также усовершенствования, при которых рециркуляционный трубопровод для отработавших газов от стороны выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания к стороне наддувочной текучей среды двигателя внутреннего сгорания выполняется со стороны наддувочной текучей среды в ступени высокого давления и/или со стороны наддувочной текучей среды в ступени низкого давления турбонагнетателя отработавших газов - то есть, например, подключен на первичной стороне высоконапорного компрессора или на первичной стороне низконапорного компрессора. В частности, при этом могут приниматься меры против забивки теплообменника.
В рамках одного из особенно предпочтительных усовершенствований привод компрессора осуществляется коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания. В альтернативном или дополнительном к этому усовершенствовании привод компрессора может также осуществляться отдельным от двигателя внутреннего сгорания приводом. В принципе, в качестве приводного средства компрессора пригодны муфта и/или передача между двигателем внутреннего сгорания или, соответственно, отдельным приводом и компрессором. Приводное средство компрессора может также иметь ремень, цепь, зубчатое колесо или тому подобное соединение с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания или с отдельным приводом. Соединительный трубопровод на первичной стороне компрессора может иметь клапан, в частности, регулируемый клапан. Возможен также регулируемый дроссель. Также возможны принципиально другие средства сужения трубы или закрытия трубы. Клапан или дроссель предпочтительным образом пригоден для того, чтобы полностью или частично подавать наддувочную текучую среду, подаваемую в компрессор, из ступени низкого давления.
Следует понимать, что - даже если это детально не описано - концепция изобретения распространяется также на усовершенствования, при которых первичная сторона компрессора расположена на вторичной стороне низконапорного компрессора, однако наддувочная текучая среда подается в компрессор не непосредственно из ступени низкого давления. Например, дополнительно наддувочная текучая среда может также из ступени высокого давления подаваться в компрессор, или наддувочная текучая среда может подаваться с промежуточным включением других компонентов или направляющих частей турбонагнетателя отработавших газов.
Далее примеры осуществления изобретения описываются ниже с помощью чертежей. На этих чертежах примеры осуществления не обязательно изображаются в масштабе, напротив, чертежи, где это необходимо для пояснения, выполнены в схематизированной и/или слегка искаженной форме. В отношении дополнений к непосредственно узнаваемым на чертежах системам ссылаемся на соответствующий уровень техники. При этом следует учитывать, что могут предприниматься разнообразные модификации и изменения, касающиеся формы и деталей варианта осуществления, без отклонения от общей идеи изобретения. Раскрытые в описании, на чертежах, а также в пунктах формулы изобретения признаки изобретения могут как по отдельности, так и в произвольной комбинации быть существенными для усовершенствования изобретения. Кроме того, в рамки изобретения попадают все комбинации по меньшей мере из двух признаков, раскрытых в описании, на чертежах, и/или в пунктах формулы изобретения. Общая идея изобретения не ограничена точной формой или деталями показанного и описанного ниже предпочтительного варианта осуществления или не ограничена предметом, который был бы ограничен по сравнению с предметом, заявленным в пунктах формулы изобретения. В случае указания диапазонов размеров лежащие в вышеназванных пределах значения также должны быть раскрыты как предельные значения и быть применимы произвольным образом и являться предметом заявки. Простоты ради ниже для идентичных или аналогичных частей или частей с идентичной или аналогичной функцией применяются одинаковые ссылочные обозначения.
Другие преимущества, признаки и подробности изобретения содержатся в последующем описании предпочтительных примеров осуществления, а также на чертежах; на которых показано:
фиг.1: первый вариант осуществления тепловой машины, снабженной компрессором для сжатия наддувочной текучей среды из ступени низкого давления и подачи сжатой наддувочной текучей среды в ступень высокого давления, там в высоконапорную турбину двухступенчатого турбонагнетателя отработавших газов, при этом первичная сторона компрессора подключена между низконапорным теплообменником и высоконапорным компрессором;
фиг.2: первый вариант осуществления тепловой машины, снабженной компрессором для сжатия наддувочной текучей среды из ступени низкого давления и подачи сжатой наддувочной текучей среды в ступень высокого давления, там в высоконапорную турбину двухступенчатого турбонагнетателя отработавших газов, при этом первичная сторона компрессора подключена между низконапорным компрессором и низконапорным теплообменником.
На фиг.1 показана тепловая машина 100, включающая в себя двигатель 10 внутреннего сгорания и систему наддува, которая имеет турбонагнетатель 20 отработавших газов и систему 30 рециркуляции отработавших газов. Двигатель 10 внутреннего сгорания в настоящем случае выполнен в виде четырехцилиндрового рядного двигателя, представляющего собой высокооборотный двигатель с частотами вращения в диапазоне от 600 до 2500 об/мин. Двигатель 10 внутреннего сгорания имеет сторону AG выпуска отработавших газов для отвода отработавших газов из отвода (коллектора) 1 для отработавших газов двигателя 10 внутреннего сгорания в ведущий к турбонагнетателю 20 отработавших газов трубопровод 1.2, а также в ведущий к системе 30 рециркуляции отработавших газов трубопровод 1.3. Двигатель 10 внутреннего сгорания имеет сторону LL наддувочной текучей среды для наддува двигателя 10 внутреннего сгорания наддувочной текучей средой через отвод (коллектор) 2 для наддувочной текучей среды. Надувочная текучая среда в отводе 2 для наддувочной текучей среды в настоящем случае представляет собой надлежащую предусмотренную в зависимости от рабочего состояния двигателя 10 внутреннего сгорания смесь из подаваемых из трубопровода 2.2 наддувочного воздуха из турбонагнетателя 20 отработавших газов, а также из подаваемых из трубопровода 2.3 отработавших газов из системы 30 рециркуляции отработавших газов. Наддувочный воздух и отработавшие газы в смесителе 3 для образования смеси из наддувочного воздуха и отработавших газов, а также в другом трубопроводе 2.1 подаются в отвод 2 для наддувочной текучей среды. Указанные на фиг.1 стрелки обозначают в каждом случае направление течения наддувочной текучей среды на стороне LL наддувочной текучей среды или, соответственно, отработавших газов на стороне AG выпуска отработавших газов или, соответственно, в области двигателя 10 внутреннего сгорания.
В настоящем случае KS обозначает сторону отдачи мощности двигателя 10 внутреннего сгорания, т.е. сторона двигателя 10 внутреннего сгорания для установки передачи, а также возможной, например, показанной на фиг.2 муфты для привязки другой приводной системы к коленчатому валу двигателя 10 внутреннего сгорания. Соответственно KGS обозначает противоположную стороне отдачи мощности сторону двигателя 10 внутреннего сгорания.
Система наддува двигателя 10 внутреннего сгорания в настоящем случае усовершенствована системой 30 рециркуляции отработавших газов в виде двухступенчатой низкотемпературной системы рециркуляции отработавших газов. Система 30 рециркуляции отработавших газов имеет для этого первую ступень 31, а также вторую ступень 32. Первая ступень имеет высокотемпературный теплообменник 33, а также расположенный перед высокотемпературным теплообменником 33 на первичной стороне дроссель 34.
Ниже под первичной стороной компонента понимается в принципе входная сторона компонента, а под вторичной стороной компонента понимается в принципе выходная сторона компонента, для случая нормальной эксплуатации тепловой машины 10, т.е. для показанного на фиг.1 направления течения наддувочной текучей среды или, соответственно, отработавших газов.
Система 30 рециркуляции отработавших газов снабжена примыкающим от трубопровода 1.3 к трубопроводу 2.3 рециркуляционным трубопроводом 39 для рециркуляции отработавших газов от стороны AG выпуска отработавших газов двигателя 10 внутреннего сгорания к стороне LL наддувочной текучей среды двигателя внутреннего сгорания. Служащий основным трубопроводом рециркуляционный трубопровод 39 примыкает с первичной стороны ко второму теплообменнику 35 второй ступени 32 системы 30 рециркуляции отработавших газов. Перед вторым теплообменником 35, в свою очередь, на первичной стороне расположен клапан 36. Наряду с расположенным в основном трубопроводе вторым теплообменником 35 вторая ступень 32 системы 30 рециркуляции отработавших газов имеет отдельный от него байпасный трубопровод 38, который примыкает ко второму теплообменнику 35 в обход течения на первичной стороне и на вторичной стороне. Направляемые из трубопровода 1.3 к рециркуляционному трубопроводу 39 отработавшие газы могут, таким образом, в количестве, определяемом первым дросселем 34, посредством высокотемпературного теплообменника 33 предварительно охлаждаться и затем - в зависимости от рабочего состояния тепловой машины - подаваться через клапан 36 во второй низкотемпературный теплообменник 35 для дальнейшего охлаждения и/или в байпасный трубопровод 38. Затем по необходимости охлажденные таким образом отработавшие газы из основного трубопровода для отработавших газов и/или байпасного трубопровода 38 подаются в трубопровод 2.3 на стороне LL наддувочной текучей среды двигателя 10 внутреннего сгорания, чтобы в смесителе 3 смешиваться с подаваемым из трубопровода 2.2 наддувочным воздухом и подаваться в вышеназванный отвод 2 для наддувочной текучей среды.
Турбонагнетатель 20 отработавших газов выполнен в настоящем случае для двухступенчатого наддува двигателя 10 внутреннего сгорания, включающего в себя ступень ND низкого давления и ступень HD высокого давления. Ступень ND низкого давления имеет низконапорный компрессор 22, привод которого осуществляется низконапорной турбиной 21. Ступень HD высокого давления имеет высоконапорный компрессор 24, привод которого осуществляется высоконапорной турбиной 23. Компоненты ступени ND низкого давления на стороне LL наддувочной текучей среды расположены в соединяющем окружающую среду U и смеситель 3 трубопроводе 28 наддувочного воздуха.
В собственно известном рабочем состоянии тепловая машина 100 может эксплуатироваться следующим образом. Свежий воздух для получения наддувочного воздуха всасывается в трубопровод 2.2 из окружающей среды U и с помощью низконапорного компрессора 22 сжимается до ступени ND низкого давления турбонагнетателя отработавших газов, предварительно охлаждается в подключенном на вторичной стороне низконапорного компрессора 22 низконапорном теплообменнике 25, а также дополнительно сжимается в высоконапорном компрессоре 24 ступени HD высокого давления, и затем в подключенном на вторичной стороне высоконапорного компрессора 24 высоконапорном теплообменнике 26 охлаждается до температуры подачи, пригодной для выпуска в двигатель 10 внутреннего сгорания. Всосанный из окружающей среды воздух находится при этом в находящейся между низконапорным компрессором 22 и высоконапорным компрессором 24 части трубопровода 28 наддувочного воздуха на первом лежащем выше атмосферного давления уровне PND давления и в находящейся между высоконапорным компрессором 24 и смесителем 3 части трубопровода 28 наддувочного воздуха на втором лежащем выше уровня PND низкого давления уровне PHD высокого давления. Посредством дополнительного дросселя 27 определяется количество наддувочного воздуха в другом трубопроводе 2.2, то есть доля свежего воздуха в наддувочной текучей среде. Как пояснено выше, с другой стороны, дроссель 34 определяет долю отработавших газов в трубопроводе 2.3, то есть долю отработавших газов в наддувочной текучей среде трубопровода 2.1. В итоге путем надлежащей регулировки дросселей 34 или 27 доля наддувочного воздуха приводится в соответствие с рабочим состоянием двигателя 10 внутреннего сгорания, предусмотренным частотой вращения двигателя, т.е. соотношение воздуха и топлива λg устанавливается таким образом, чтобы оно было как можно выше. Поэтому необходимо наличие как можно более высокой доли свежего воздуха, чтобы обеспечивать как можно более эффективное сжигание топлива в двигателе 10 внутреннего сгорания при наиболее низком возможном уровне дыма. Кроме того, регулировка турбонагнетателя 20 отработавших газов и регулировка системы 30 рециркуляции отработавших газов может осуществляться таким образом, чтобы сравнительно высокий отрицательный перепад давления в продувочном трубопроводе - а именно, разность давлений P5-P7 между стороной LL наддувочной текучей среды и стороной AG выпуска отработавших газов попадал как можно дальше в отрицательный диапазон. Целью такой регулировки является достижение сравнительно высоких скоростей рециркуляции отработавших газов в части, как можно более полно покрывающей диапазон частот вращения двигателя 10 внутреннего сгорания. У показанной на фиг.1 тепловой машины 100 обеспечивается, к тому же, соблюдение предельных значений NOx за счет сравнительно высоких скоростей рециркуляции отработавших газов. Кроме того, на снабжение свежим воздухом для сжигания наддувочной текучей среды, подаваемой через трубопровод 2.1 и отвод 2 для наддувочной текучей среды, уже положительно влияет исполнение турбонагнетателя 20 отработавших газов с одной ступенью ND низкого давления и одной ступенью HD высокого давления. Результатом этого являются уже заложенные в основу хорошие свойства ускорения тепловой машины 100 при применении в транспортном средстве, которое здесь подробно не описывалось. При сжигании впрыскиваемого топлива с надувочной текучей средой в двигателе 10 внутреннего сгорания образующиеся отработавшие газы подаются в отвод 1 для отработавших газов на стороне AG выпуска отработавших газов и там в другой трубопровод 1.2.
Для отвода отработавших газов посредством высоконапорной турбины 23 ступени HD высокого давления, а также низконапорной турбины 21 ступени ND низкого давления служит тогда отводящий трубопровод 29 отработавших газов.
В одном из усовершенствований тепловой машины 100, следующих концепции изобретения, с целью дополнительного улучшения вышеназванной высокой доли λg воздуха в топливе, как для достижения наиболее возможного отрицательного перепада давления P5-P7 продувки, так и для улучшения свойств срабатывания тепловой машины 10 даже при частичной нагрузке турбонагнетатель 20 отработавших газов имеет в настоящем случае дополнительно компрессорную систему 40 в ведущем от трубопровода 28 наддувочного воздуха к отводящему трубопроводу 29 отработавших газов в трубопроводе 49 компрессора. Компрессор 41 выполнен для сжатия наддувочного воздуха из ступени ND низкого давления на стороне LL наддувочной текучей среды - т.е. начиная от уровня PND низкого давления - и подачи дополнительно сжатого наддувочного воздуха к высоконапорной турбине 23 ступени HD высокого давления на стороне AG выпуска отработавших газов. Для этого первичная сторона 41.1 компрессора 41 подключена к вторичной стороне 22.1 низконапорного компрессора 22, а вторичная сторона 41.2 компрессора 41 к первичной стороне 23.1 высоконапорной турбины 23. Для этого трубопровод 40 компрессора подключен к трубопроводу 28 наддувочного воздуха и трубопроводу 29 отработавших газов. К компрессору 41, как уже указано, подводится наддувочный воздух на уровне PND низкого давления, который определяемым низконапорным компрессором 22 образом лежит выше атмосферного давления. Клапан 42 в трубопроводе 49 компрессора на первичной стороне 41.1 компрессора 41 служит для подключения/отключения воздушного потока через компрессор 41. В настоящем случае клапан 42 для этого выполнен в виде так называемого черно-белого клапана, который либо открыт, либо закрыт.
Привод самого компрессора 41 в настоящем случае осуществляется посредством отдельного привода 44, например электропривода или тому подобного.
В силу описанного таким образом совершенствующего варианта осуществления тепловой машины 100 компрессор 41 предусмотрен в качестве дополнительного механического нагнетателя и после ступени ND низкого давления или, соответственно, из ступени ND низкого давления забирает наддувочный воздух на уровне давления PND, дополнительно сжимает его и при этом обдувает высоконапорную турбину 23. Благодаря этому вышеназванный перепад давлений P5-P7 продувки еще более перемещается в отрицательную область посредством создания дополнительного давления на первичной стороне 23.1 высоконапорной турбины 23 вследствие действия компрессора 41, еще более сжимающего наддувочный воздух. При этом сохраняется или, соответственно, устанавливается частота вращения высоконапорной турбины 23 и вместе с тем высоконапорного турбонагнетателя или, соответственно, ступени HD высокого давления турбонагнетателя 20 отработавших газов, так что в стационарном, а также в переходном рабочем состоянии двигателя 10 внутреннего сгорания обеспечивается достаточное давление наддува на стороне LL наддувочной текучей среды - чтобы, таким образом, достаточное количество свежего воздуха подавалось по трубопроводу 28 наддувочного воздуха в смеситель 3. Эта мера служит, таким образом, для дополнительного улучшения доли λg воздуха в топливе. Кроме того, это положительное действие компрессорной системы 40 проявилось при всех частотах вращения двигателя 10 внутреннего сгорания, то есть во всем вышеназванном диапазоне частот вращения от 900 до 2000 об/мин. В частности, при сравнительно небольших частотах вращения, в отличие от известных до сих пор тепловых машин, достигаются предпочтительно высокие средние давления, которые превышают обычные средние давления сравнимых тепловых машин на величину, доходящую по меньшей мере до 25%. В результате возможна эксплуатация двигателя 10 внутреннего сгорания с максимальными скоростями рециркуляции отработавших газов через систему 30 рециркуляции отработавших газов с получением все же высокой динамики движения, даже при меньших частотах вращения. Последнее является результатом лучших свойств срабатывания двигателя 10 внутреннего сгорания даже при эксплуатации с частичной нагрузкой.
На фиг.2 показан слегка измененный относительно фиг.1 вариант осуществления тепловой машины 200, поэтому ради простоты и наглядности для идентичных или аналогичных частей с идентичной или аналогичной функцией применены одни и те же ссылочные обозначения. Ниже делается ссылка только на отличия от тепловой машины 100. В отличие от тепловой машины 100, где трубопровод 49 компрессора примыкает в расположенной после низконапорного компрессора 22 области трубопровода 28 наддувочного воздуха между низконапорным теплообменником 25 и высоконапорным компрессором 24, трубопровод 49 компрессора у тепловой машины 200 примыкает в области трубопровода 28 наддувочной текучей среды между низконапорным компрессором 22 и низконапорным теплообменником 25. То есть, в отличие от тепловой машины 100, трубопровод 49 компрессора примыкает на первичной стороне низконапорного теплообменника 25, в то время как у тепловой машины 100 трубопровод 49 компрессора примыкает на вторичной стороне низконапорного теплообменника 25. В обоих случаях трубопровод 49 компрессора, т.е. первичная сторона 41.1 компрессора 41, примыкает к первичной стороне 22.1 низконапорного компрессора 22. Измененный таким образом вариант осуществления тепловой машины 200 подходит предпочтительно также и в частности для рабочих состояний, в которых уровень температуры сжатого наддувочного воздуха в ступени ND низкого давления еще достаточно низок, чтобы дополнительно эффективно сжиматься компрессором 41. В одном из сравнительно компактных не показанных здесь других вариантов, преимущественно по конструктивным причинам, также оказалось предпочтительным, предусмотреть только высоконапорный теплообменник 26 и турбонагнетатель 20 отработавших газов без низкотемпературного теплообменника 25. В этом случае, как на фиг.1, первичная сторона 41.1 компрессора примыкает на участке трубопровода 20 наддувочного воздуха между низконапорным компрессором 22 и высоконапорным компрессором 24.
В качестве другого отличия от тепловой машины 100 тепловая машина 200 предусматривает компрессор 41, у которого привод 44 через муфту 45 и приводное средство 46, такое как ремень, цепь, зубчатое колесо или т.п. соединение с коленчатым валом, подключен к стороне KS отдачи мощности двигателя внутреннего сгорания, при этом привод осуществляется механически.
Подводя итог сказанному, изобретение касается тепловой машины 100, 200, имеющей:
двигатель 10 внутреннего сгорания со стороной AG выпуска отработавших газов и стороной LL наддувочной текучей среды; систему наддува, включающую в себя:
- турбонагнетатель 20 отработавших газов для наддува двигателя 10 внутреннего сгорания, снабженный компрессорной системой на стороне LL наддувочной текучей среды и турбинной системой на стороне AG выпуска отработавших газов,
- компрессор 41, первичная сторона 41.1 которого подключена к стороне LL наддувочной текучей среды, а вторичная сторона 42.2 которого к стороне AG выпуска отработавших газов. При этом в соответствии с изобретением предусмотрено, что система наддува включает в себя также:
- систему 30 рециркуляции отработавших газов, снабженную рециркуляционным трубопроводом 39 для отработавших газов от стороны AG выпуска отработавших газов двигателя 10 внутреннего сгорания к стороне LL наддувочной текучей среды двигателя 10 внутреннего сгорания; и
турбонагнетатель 20 отработавших газов для двухступенчатого надува двигателя 10 внутреннего сгорания имеет одну ступень ND низкого давления и одну ступень HD высокого давления, при этом
ступень ND низкого давления имеет низконапорный компрессор 22 компрессорной системы, привод которого осуществляется низконапорной турбиной 21 турбинной системы, а
ступень HD высокого давления имеет высоконапорный компрессор 24 компрессорной системы, привод которого осуществляется высоконапорной турбиной 23 турбинной системы, и при этом
компрессор 41 выполнен для сжатия наддувочной текучей среды из ступени ND низкого давления и подачи сжатой наддувочной текучей среды в ступень HD высокого давления, при этом его первичная сторона 41.1 подключена к вторичной стороне 22.1 низконапорного компрессора 22, а его вторичная сторона 41.2 к первичной стороне 23.1 высоконапорной турбины 23.
Список ссылочных обозначений
1 Отвод для отработавших газов
1.2 Трубопровод (трубопровод, ведущий к турбонагнетателю 20 отработавших газов)
1.3 Трубопровод (трубопровод, ведущий к системе 30 рециркуляции отработавших газов)
2 Отвод для наддувочной текучей среды
2.1, 2.2, 2.3 Трубопровод
3 Смеситель
10 Двигатель внутреннего сгорания
20 Турбонагнетатель отработавших газов
21 Низконапорная турбина
22 Низконапорный компрессор
22.1 Вторичная сторона низконапорного компрессора 22
23 Высоконапорная турбина
23.1 Первичная сторона высоконапорной турбины 23
24 Высоконапорный компрессор
25 Низконапорный теплообменник
26 Высоконапорный теплообменник
27 Дополнительный дроссель
28 Трубопровод наддувочного воздуха
29 Отводящий трубопровод отработавших газов
30 Система рециркуляции отработавших газов
31 Первая ступень
32 Вторая ступень
33 Первый теплообменник/высокотемпературный теплообменник
34 Дроссель (дроссель, расположенный на первичной стороне)
35 Второй теплообменник/низкотемпературный теплообменник
36 Клапан
38 Байпасный трубопровод
39 Рециркуляционный трубопровод
40 Компрессорная система
41 Компрессор
41.1 Первичная сторона компрессора 41
41.2 Вторичная сторона компрессора 41
42 Клапан
43 Отдельный привод
44 Привод через коленчатый вал
45 Муфта
46 Приводное средство
49 Трубопровод компрессора
100, 200 Тепловая машина
AG Сторона выпуска отработавших газов
HD Ступень высокого давления
KGS Сторона, противоположная стороне отдачи мощности
KS Сторона отдачи мощности
LL Сторона наддувочной текучей среды
ND Ступень низкого давления
PND Уровень низкого давления
PHD Уровень высокого давления
U Окружающая среда
1. Тепловая машина (100, 200), имеющая:
двигатель (10) внутреннего сгорания со стороной (AG) выпуска отработавших газов и стороной (LL) наддувочной текучей среды; систему наддува, включающую в себя:
- турбонагнетатель (20) отработавших газов для наддува двигателя (10) внутреннего сгорания, снабженный компрессорной системой на стороне (LL) наддувочной текучей среды и турбинной системой на стороне (AG) выпуска отработавших газов,
- компрессор (41), первичная сторона (41.1) которого подключена к стороне (LL) наддувочной текучей среды, а вторичная сторона (41.2) которого - к стороне (AG) выпуска отработавших газов,
отличающаяся тем, что
система наддува включает в себя также:
- систему (30) рециркуляции отработавших газов, снабженную рециркуляционным трубопроводом (39) для отработавших газов от стороны (AG) выпуска отработавших газов двигателя (10) внутреннего сгорания к стороне (LL) наддувочной текучей среды двигателя (10) внутреннего сгорания; и
- турбонагнетатель (20) отработавших газов для двухступенчатого наддува двигателя (10) внутреннего сгорания имеет одну ступень (ND) низкого давления и одну ступень (HD) высокого давления, при этом
ступень (ND) низкого давления имеет низконапорный компрессор (22) компрессорной системы, привод которого осуществляется низконапорной турбиной (21) турбинной системы, а
ступень (HD) высокого давления имеет высоконапорный компрессор (24) компрессорной системы, привод которого осуществляется высоконапорной турбиной (23) турбинной системы, и при этом
- компрессор (41) выполнен для сжатия наддувочной текучей среды из ступени (ND) низкого давления и подачи сжатой наддувочной текучей среды к ступени (HD) высокого давления, при этом его первичная сторона (41.1) подключена к вторичной стороне (22.1) низконапорного компрессора (22), а его вторичная сторона (41.2) - к первичной стороне (23.1) высоконапорной турбины (23).
2. Тепловая машина по п. 1, отличающаяся тем, что система (30) рециркуляции отработавших газов выполнена в виде по меньшей мере одноступенчатой низкотемпературной системы рециркуляции отработавших газов и имеет по меньшей мере один теплообменник (33).
3. Тепловая машина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что система (30) рециркуляции отработавших газов имеет по меньшей мере один, в частности, регулируемый дроссель (34).
4. Тепловая машина по п. 1, отличающаяся тем, что система (30) рециркуляции отработавших газов выполнена в виде двухступенчатой низкотемпературной системы рециркуляции отработавших газов и имеет в первой ступени (31) первый, а во второй ступени (32) второй теплообменник (35).
5. Тепловая машина по п. 1 или 4, отличающаяся тем, что вторая ступень (32) системы (30) рециркуляции отработавших газов имеет рециркуляционный трубопровод (39), снабженный вторым теплообменником (35) и отдельным от него байпасным трубопроводом (38), который подключен ко второму теплообменнику (35) в обход течения на первичной стороне и на вторичной стороне второго теплообменника (35).
6. Тепловая машина по п. 1, отличающаяся тем, что ступень (ND) низкого давления турбонагнетателя (20) отработавших газов имеет на стороне (LL) наддувочной текучей среды низконапорный теплообменник (25).
7. Тепловая машина по п. 1, отличающаяся тем, что первичная сторона (41.1) компрессора (41) подключена между низконапорным теплообменником (25) и высоконапорным компрессором (24).
8. Тепловая машина по п. 1, отличающаяся тем, что первичная сторона (41.1) компрессора (41) подключена между низконапорным компрессором (22) и низконапорным теплообменником (25).
9. Тепловая машина по п. 1, отличающаяся тем, что ступень (ND) низкого давления турбонагнетателя (20) отработавших газов на стороне (LL) наддувочной текучей среды не имеет теплообменника, а первичная сторона (41.1) компрессора (41) подключена между низконапорным компрессором (22) и высоконапорным компрессором (24).
10. Тепловая машина по п. 1, отличающаяся тем, что привод компрессора (41) может осуществляться коленчатым валом двигателя (10) внутреннего сгорания.
11. Тепловая машина по п. 1, отличающаяся тем, что приводное средство (46) компрессора имеет муфту (45) и/или передачу.
12. Тепловая машина по п. 1, отличающаяся тем, что привод компрессора (41) может осуществляться отдельным от двигателя (10) внутреннего сгорания приводом (43).
13. Тепловая машина по п. 1, отличающаяся тем, что приводное средство (46) компрессора (41) имеет ремень, цепь или зубчатое колесо для соединения с коленчатым валом двигателя (10) внутреннего сгорания и/или с отдельным приводом (44).
14. Тепловая машина по п. 1, отличающаяся тем, что трубопровод (49) компрессора на первичной стороне (41.1) компрессора (41) имеет клапан (42), в частности, выполненный в виде двухпозиционного клапана, который переключается между полностью открытым и полностью закрытым положениями, или являющийся регулируемым.
15. Тепловая машина по п. 1, отличающаяся тем, что двигатель (10) внутреннего сгорания, в частности рядный или V-образный двигатель, выполнен в виде среднеоборотного двигателя, в частности на 350-900 об/мин, или высокооборотного двигателя, в частности на 500-2300 об/мин, предпочтительно на 900-2000 об/мин.
16. Транспортное средство, снабженное тепловой машиной (100, 200) по одному из пп. 1-15.
