Силовая установка

(и) 2003817 Я)Я РО ИЕ И ОП САН Комитет Российской Федерации о патентам и товарным знакам(71) Волгоградский политехнический институт(73) Волгоградский политехнический институт(57) Сущность изобретения; установка содержитдизельный двигатель воздушного охлаждения 1 срефлекторами 2, выпускным:3 и впускным 4 трубопроводами, основной турбокомпрессор 5,6, компрессор 6 которого соединен через охпадитель 7наддувочного воздуха с впускным трубопроводом 4двигателя 1, турбовентилятор 8, 9, связанный с основным турбокомпрессором выпускной магистралью10, подающей выпускные газы через регулирующий орган 11, соединенный с блоком 12 управления, по трубопроводу 13 на активные сопла 14, ус - 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 охпаждаемые 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 злф-лы, 1 ил.Изобретение относится к машиностро- ющих значительное количество газов с маению, в частности к двигателям внутреннего лоизменяемыми режимами работы. В таких сгорания. системах возможно лишь ограниченное реИзвестен двигатель внутреннего сгора- гулирование плотности охлаждаемого надния типа 8 ДВТ с ГТН, содержащий по мень дувочного воздуха путем изменения шей мере один цилиндр с крышкой, скорости потока газа на выходе из сопл, снабженной оребрением, и вентилятор, Кроме того, в таком техническом решении обеспечивающий подачу воздуха на охлаж- слабо представлена утилизация энергии выдение цилиндров и наддувочного воздуха. пускных газов.Вентилятор имеет привод через гидромуфту 10 Известно устройство для наддува двигаот вала отбора мощности (см. справочник теля внутреннего сгорания а.с. Ив 85966, "Тракторные дизели". М.: Машиностроение, кл. Г 02 В 37/00, 1981), включающее в себя 1981, с.536. В таких двигателях энергия вы- два последовательно расположенных турпускных газов утилизируется недостаточно, бокомпрессора (высокого и низкого давлеа энергия, затрачиваемая на привод венти ния), перепускные каналы газов после лятора, в последующих процессах не ком- турбины высокогодавления.и воздуха перед пенсируется, что существенно снижает его компрессором высокого давления, причем показатели эффективности, Кроме того; в каждый из каналов снабжен дросселем, а такой установке практически отсутствует после двигателя перед турбиной высокого регулирование наддува двигателя, 20 давления расположена дополнительная каИзвестно устройство для регулирова- мера сгорания. На номинальном режиме раниятранспортногодвигателя(а,с, И.323983, ботают оба турбокомпрессора при кл. Г 02 Б 37/081977), в котором с целью закрытых дросселях. На промежуточных реповышения эффективности наддува перепу- жимах двигателя открываются оба дросселя скной патрубок снабжен соплом, помещен и газ после первой турбины перепускается ным в выпускной коллектор за турбиной для мимо турбины низкого давления в атмосфесоздания эжекции, а дроссель связан с ор- ру, а воздух всасывается иэ атмосферы комганом задания режима двигателя, Техниче- прессором высокого давления, т.е, в этом ское решение относится к тепловозным случае система двухступенчатого наддува дизелям, располагающим возможностями 30 преобразуется в одноступенчатуюс работа- размещения крупногабаритных систем и ус- ющим ТК высокого давления, При этом подтройств, Такое устройство обладает непло- регулировка наддува производится хими свойствами регулирования топливной включением дополнительной камеры сгораэкономичнасти на различных. режимах ра- ния, Такое регулирование наддува применяботы дизеля, Однако такие свойства могут 35 ется в специальных целях и теряет смысл, проявляться лишь при небольшой степени как только расходдополнительноготоплива наддува до Пк=2). При других условиях рас- в камере начинает превышать выигрыш от сматриваемое устройство может не дать же- снижения насосных потерь в двигателе, лаемых результатов по регулированию Кроме того, именно в этот периода установвследствие усиления влияния динамики по ке исключается утилизация энергии выпуск- тока газа и ухудшения КПД турбины и ком- ных газов после турбины ТК высокого прессора ТК. Кроме того, двигатели с таким давления. В этом плане указанное техничеустройством всегда имеют недостаточную ское решение может иметь лишь ограничен- утилизацию энергии выпускных газов. (газы ную степень регулирования наддува на высокой температуры выпускаются, минуя 45 промежуточныхрежимахработыдвигателя, турбину ТК, через сопло в атмосФеру). Существенным недостатком при этом являИзвестна система охлаждения для дви- ется и отсутствие утилизации энергии выпугателя внутреннего сгорания (а;с. М 727866, скных газов на указанных режимах, кл, Р 02, 1980), в которой с целью уменьше- Известна турбина с регулируемым прония габаритов системы охлаждения воздух 50 ходным сечением соплового аппарата (паокружающей среды через радиатор прока- тент США М 4776168, кл, 60602, опубл. чивается потоком выпускных газов из двух 11,10,88), содержащая меридиональную песопл. При этом смесь воздуха после радиа- регородку, разделяющую ее улитку на две тора и потока газов выходит через камеру части, через одну из которых газ от двигатесмешения и диффузор за ней в атмосферу. 55 ля поступает радиально йа лопатки рабоче- Авторам удалось расположить систему в го колеса, а через другую часть - в осевом пределахпространстваподрадиатором. Однако направлении. При этом в выходном патрубтакая возможностьпоявляетсяутранспортных ке турбины расположена регулирующая средств, имеющих двигатели сравнительно втулка, автоматическиперемещаемаявосебольшоймощности(йе 500 кВт), генериру- вом направлении.в зависимости от режима5 10 15 20 25 30 35 40 50 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 в этом режиме.Однако техническое рещение 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, Ъ 60-75721, кл. Е 02. В 37/ОО, опубл. 30.04,85), включающая всебя 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 в зависимости от режима его работы исключением того или иного нагнетателя, Однако многозвенность переключений механизмов вызывает сложность их устойчивой настройки и поддержание работоспособности, что сужает возможный диапазон регулирования, Кроме того, в такой системе отсутствует утилизация энергии выпускных газов после каждого из нагнетателей,Известна установка.для наддува двигателя анутренцего сгорания.(а.с, М 178243, кл, Г 02 С 19 бб), содержащая две турбины, работающие на выпускных газах двигателя, первая из которых вращает компрессор наддува, а вторая - вентилятор, просасывающий 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 в 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), турбовентилятор(ТВ), работающий на выпускных газах ТК, охладитель наддувочного воздуха ОН В) и масла (ОМ), 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, наддувочного воздуха, масла и регулирование степени наддува на различных режимах работы двигателя производятся единой системой турбокомпрессор-турбовентилятор-теплообменник-аэродинамнче ский конфузорный канал и активные сопла через регулирующий дроссель с помощью энергии выпускных газов основного турбокомпрессора, что повышает степень утилизации энергии выпускных газов двига 1 еля и воздуха окружающей среды. В этом случае отпадает необходимость в использовании громоздкого привода вентилятора для одновременного охлаждения двигателя и тепло 2003817обменных 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 на активные сопла 14, установленные в конруэорном 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 2, в который заключены охлаждаемые 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 вентилятор 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 потока воздуха окружающей .среды и затопленных струй газов после сопл14 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 5 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 пройсхо 30 35 дит снижение как давления наддува, так и производительности компрессора вследствие качественного изменения параметров выпускных газов двигателя,Охлаждение наддувочного воздуха и 40 масла на частичных режимах при малом перепуске выпускных газов турбины 5 на сопла 14 обеспечивается, во-первых, зэ счет счет эжектирования воздуха отходящими газами турбины 8 в эжекторе 18, а также эа счет самотяги ц аэродинамическом канале 50 15 вследствие его конфузорности в направлении потока охлаждающего воздуха,Предлагаемая силовая установка имеет следующие преимущества по сравнению .с прототипом и аналогами: охлаждение теп 55 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 ос 45 снижения температурного уровня сжатого воздуха. в компрессоре 6 и, во-вторых, за10 2003817 10 15 20 25 30 35 45 50 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 из 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 изобретения1. 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.ее экологические свойства,(56) Авторское свидетельство СССР М 179243, кл, Р 02 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 по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена газовым зжектором, связанным с выходом турбовентилягора, а аэродинамический канал выполнен конфузорным по направлению охлаждающего воздуха и выходом подключен к газовому эжектору.3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что турбовентилятор выполнен осевым и подклЮчен выпускной магистралью к дефлектору.