Турбокомпаундный двигатель внутреннего сгорания

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 7 14172 А 1 В 37/00 1)5 ОПИСА Е ИЗОБ Т ф ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Камское объединение по производствубольшегрузных авт 1)мобилей(56) Выложенная заявка ФРГМ 3721238, кл, Р 02 В 37/12, 1988,Маханько М.Г. Газотурбинные системыдвигателей с разделенным выпуском газов,- М.: Машиностроение, 1972, с. 107, рис.69 а,(54) ТУРБОКОМПАУНДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ(57) Изобре-.ение может быть использованов системах наддува двигателей. Цель изобретения - повышение эффективных показателей двигателя, Двигатель содержитвпускной трубопровод 1, цилиндры 2, каждый из которых снабжен органами впуска,сообщенными с впускным трубопроводом 1и разделенными органами выпуска отработавших газов повышенного и пониженногодавления, выхлопные коллекторы 3 и 4, пер 2вый 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 отключаемого вентилятора с кожухом 10. Между объемным нагревателем 8 и впускным тру бопроводом 1 установлены двухсекционный теплообменник и перепускной канал 13, а между Турбокомпрессором и объемным нагнетателем установлен дополнительный охладитель 15. Охлаждение наддувочного воздуха и применение турбинныМ ступеней с разделенным подводом газов позволяет повысить экономичность двигателя. 7 э. и.5 10 15 20 Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению.Известен четырехклапанный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с системой турбонаддува. Наддувочный воздух от турбокомпрессора (ТКР) направляется в цилиндры лишь через один впускной клапан, который открывается к началу второй половины хода впуска, 8 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 ТКР, После того, как избыточное давление ОГ в цилиндре становится невысоким, этот клапан закрывае 1 ся и открывается другой выпускной клапан, из которого ОГ 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 холодном 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 30 35 40 45 50 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.Двигатель также снабжен дополнительным компрессором наддува, и первая турбинная ступень 3 выполнена в виде приводадополнительного компрессора наддува иобразует с ним турбокомпрессор 14, воздухонапорный патрубок которого подключен к впускному патрубку объемного нагнетателя 8. Вторая турбинная ступень 4 выполнена в виде силовой турбины, кинематическисвязанной 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 подогретьй естественным образом сжатый воздух поступает через впускнойтрубопровод 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 открываетсядополнительный выпускной орган и закрывается основной. При этом по второму выхлопному коллектору 4 на турбину второйступени б 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 валудвигателя. Для увеличения плотности воздуха, поступающего в цилиндры, и снижения тепло 10 15 20 25 30 35 40 50 55 вой напряженности деталей двигателя подаваемый в цилиндры воздух охлаждается вдополнительном охладителе 15, жидкостновоздушной секции 11 и воздуха-воздушной.секции 12 теплообменника, В случае, есличрезмерное охлаждение воздуха недопустимо, то часть нагретого после объемного нагнетателя 8 воздуха по перепускному каналу13 направляется непосредственно во впускной трубопровод 1 двигателя,Формула изобретения1, Турбокомпаундный двигатель внутреннего сгорания, содержащий системужидкостного охлаждения, впускной трубопровод, сообщенный с органами впуска каждого цилиндра, по меньшей мере двавыхлопных коллектора, первый из которыхобьединяет основные органы выпуска отработавших газов из цилиндров, а второй -дополнительные органы выпуска отрабогавших газов из цилиндров, и многоступенчатое устройство утилизации энергииотработавших газов, выполненное в виде поменьшей мере двух турбинных ступеней свыпускными патрубками, первая из которыхподключена к первому выхлопному коллектору, а впускной патрубок второй турбиннойступени подключен к второму выхлопномуколлектору и дополнительно связан с выпускным патрубком первой турбинной ступе-.ни, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения эффективных показателей, двигатель дополнительно снабжен объемнымнагнетателем с приводом от коленчатого ва-.ла двигателя и устройством для охлажденияобьемного нагнетателя, причем объемныйнагнетатель 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 обьемного нагнетателя выполнено в виде отключаемого вентилятора с кожухом,охватывающим корпус обьемного нагнетателя,3. Двигатель по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что объемный нагнетательвыполнен с внутренним сжатием.4. Двигатель по пп. 1 - 3, от л и ч а ющ и й с я тем, что между выходным патрубком обьемного нагнетателя и впускным трубопроводом двигателя установлентеплообменник с перепускным каналом, навходе в который установлена управляемаязаслонка.5, Двигатель по и, 4, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что теплообменник выполнен в видедвух секций, одна из которых выполненавоздухо-воздушной, а вторая - жидкостновоздушной,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 и й 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 турбиннаяступень выполнена в виде силовой турбины,кинематически связанной с коленчатым валом двигателя,8. Двигатель по и, 7, о т л ич а ющ и йс я тем, что между воздухонапорным патрубком турбокомпрессора и впускным патрубком объемного нагнетатеЛя установлен дополнительный воздухо-воздушный охладитель,1714172 ФцВЧСоставитель Н,Лапушкинедактор О.Хрипта Техред М.Моргентал Корректор М.Демч аказ 673 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб.,4/б КНТ СССР Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина,