RU2003817C1 - Силова установка - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : установка содержит дизельный двигатель воздушного охлаждени  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 двигател  1, турбовентил тор 8,9, св занный с основным турбокомпрессором выпускной магистралью 10, подающей выпускные газы через регулирующий орган 11, соединенный с блоком 12 управлени  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 турбовентил тора Турбо- вентил тор 9, преимущественно осевого типа, подключен выпускной магистралью 19 к приемным окнам дефлектора 2, в которой заключен охлаждаемые элементы двигател  1 внутреннего сгорани  Регулирование наддува и охлаждени  двигател  наддувочного воздуха и мзсла производитс  изменением количества выпускных газов турбины наддувочного турбокомпрессора, перепускаемых на газовые эжекторы аэродинамического канала и на турбину турбовентил тора в зависимости от режима работы двигател  2 ааф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к машиностроению , в частности к двигател м внутреннего сгорани .

Известен двигатель внутреннего сгорани  типа 8ДВТ с ГТН, содержащий по меньшей мере один цилиндр с крышкой, снабженной оребрением, и вентил тор, обеспечивающий подачу воздуха на охлаждение цилиндров и наддувочного воздуха. Вентил тор имеет привод через гидромуфту от вала отбора мощности (см. справочник Тракторные дизели. М.: Машиностроение, 1981, с.536. В таких двигател х энерги  выпускных газов утилизируетс  недостаточно, а энерги , затрачиваема  на привод вентил тора , в последующих процессах не компенсируетс , что существенно снижает его показатели эффективности. Кроме того, в такой установке практически отсутствует регулирование наддува двигател .

Известно устройство дл  регулировани  транспортного двигател  (а.с, N 323983, кл. F 02 В 37/08, 1977), в котором с целью повышени  эффективности наддува перепускной патрубок снабжен соплом, помещенным в выпускной коллектор за турбиной дл  создани  эжекции, а дроссель св зан с органом задани  режима двигател . Техническое решение относитс  к тепловозным дизел м, располагающим возможност ми размещени  крупногабаритных систем и устройств . Такое устройство обладает неплохими свойствами регулировани  топливной экономичности1 на различных режимах работы дизел . Однако такие свойства могут про вл тьс  лишь при небольшой степени наддува (до ). При другмх услови х рассматриваемое устройство может не дать желаемых результатов по регулированию вследствие усилени  вли ни  динамики потока газа и ухудшени  КПД турбины и компрессора ТК. Кроме того, двигатели с таким устройством всегда имеют недостаточную утилизацию энергии выпускных газов (газы высокой температуры выпускаютс , мину  турбину ТК, через сопло в атмосферу).

Известна система охлаждени  дл  двигател  внутреннего сгорани  (а.с. № 727866, кл. F 02, 1980), в которой с целью уменьшени  габаритов системы охлаждени  воздух окружающей среды через радиатор прокачиваетс  потоком выпускных газов из двух сопл. При этом смесь воздуха после радиатора и потока газов выходит через камеру смешени  и диффузор за ней в атмосферу. Авторам удалось расположить систему в п ределах пространства под радиатором. Однако така  возможность по вл етс  у транспортных средств, имеющих двигатели сравнительно большой мощности ( кВт), генерирующих значительное количество газов с малоизмен емыми режимами работы. В таких системах возможно лишь ограниченное регулирование плотности охлаждаемого наддувочного воздуха путем изменени  скорости потока газа на выходе из сопл. Кроме того, в таком техническом решении слабо представлена утилизаци  энергии выпускных газов.

0 Известно устройство дл  наддува двигател  внутреннего сгорани  (а.с. Мг 859661, кл. F 02 В 37/00, 1981), включающее в себ  два последовательно расположенных турбокомпрессора (высокого и низкого давле5 ни ), перепускные каналы тазов после турбины высокого давлени  и воздуха перед компрессором высокого давлени , причем каждый из каналов снабжен дросселем, а после двигател  перед турбиной высокого

0 давлени  расположена дополнительна  камера сгорани . На номинальном режиме ра- ботают оба турбокомпрессора при закрытых дроссел х. На промежуточных режимах двигател  открываютс  оба дроссел 

5 и газ после первой турбины перепускаетс  мимо турбины низкого давлени  в атмосферу , а воздух всасываетс  из атмосферы компрессором йысокого давлени , т.е. в этом случае система двухступенчатого наддува

0 преобразуетс  в одноступенчатую с работающим ТК высокого давлени . При этом под- регулировка наддува производитс  включением дополнительной камеры сгорани , Такое регулирование наддува примен 5 етс  в специальных цел х и тер ет смысл, как только расход дополнительного топлива в камере начинает превышать выигрыш от снижени  насосных потерь в двигателе. Кроме того, именно в этот период в установ0 «е исключаетс  утилизаци  энергии выпускных газов после турбины ТК высокого давлени . В этом плане указанное техническое решение может иметь лишь ограниченную степень регулировани  наддува на

5 промежуточных режимах работы двигател . Существенным недостатком при этом  вл етс  и отсутствие утилизации энергии выпускных газов на указанных режимах.

Известна турбина с регулируемым про0 ходным сечением соплового аппарата (патент США № 4776168, кл. 60/602, опубл. 11.10.88), содержаща  меридиональную перегородку , раздел ющую ее улитку на две части, через одну из которых газ от двигате5    поступает радиально на лопатки рабочего колеса, а через другую часть - в осевом направлении. При этом в выходном патрубке турбины расположена регулирующа  втулка, автоматически перемещаема  в осевом направлении в зависимости от режима

работы двигател . При номинальной частоте вращени  вала втулка открывает доступ ОГ из обеих полостей и турбина работает со смещенным потоком ОГ. При частоте вращени  вала ротора в режиме максимально- го крут щего момента ОГ поступают только в полость осевого направлени  и турбина работает как осева , обеспечива  повышение эффективности наддува в этом режиме.

Однако техническое решение имеет су- щественные недостатки. Практически рассматриваетс  лишь двухступенчатое регулирование; на номинальной частоте вращени  ротора и на режиме максимального крут щего момента. Регулирование на других режимах не просматриваетс . Кроме регулировани  втулкой закрыти  и открыти  полостей улитки возникает необходимость и соответственно регулирование перепуска выпускных газов двигател  пе- ред турбиной. Синхронизаци  этих процессов неоднозначна. Кроме того, отсутствует св зь всего метода регулировани  с охлаждением наддувочного воздуха, что может вызвать отрицательные последстви  в рабо- те всей системы наддува.

Известна система управлени  двигателем с наддувом (за вка Японии, № 60-75721, кл. F 02 В 37/00, опубл. 30.04.85), включающа  в себ  три нагнетател , из которых пер- вый и третий - турбинного типа, а второй - в виде инерционного устройства. Дл  обеспечени  эффективного питани  двигател  воздухом на всех режимах нагнетатели включаютс  соответственно при высоких, средних и низких частотах вращени  вала двигател . Система представл ет интерес, так как позвол ет регулировать наддув двигател  в зависимости от режима его работы исключением того или иного нагнетател . Од- нако многозвенность переключений механизмов вызывает сложность их устойчивой настройки и поддержание работоспособности , что сужает возможный диапазон регулировани . Кроме того, в такой системе отсутствует утилизаци  энергии выпускных газов после каждого из нагнетателей.

Известна установка дл  наддува двигател  внутреннего сгорани  (а.с. № 178243, к . F 02 С 1966), содержаща  две турбины, работающие на выпускных газах двигател  перва  из которых вращает компрессор наддува, а втора  - вентил тор, просасывающий воздух окружающей среды через радиатор системы жидкостного охлаждени  двигател . Причем с целью повышени  экономичности двигател  на частичных режимах его работы турбины включаютс  последовательно по ходу газов. Такое техническое решение представл ет интерес не

только с точки зрени  охлаждени  двигател , но и дл  регулировани  наддува. Однако оно имеет существенные недостатки: совместимость работы вентил тора и турбины возможна только через механический редуктор , что не только усложн ет установку, но и снижает надежность ее работы: отсутствуют признаки регулировани  охлаждени  наддувочного воздуха (эта за вка выбрана в качестве прототипа).

Целью изобретени   вл етс  повышение эффективности работы установки во всем диапазоне эксплуатационных режимов , надежности охлаждени  двигател  и утилизации энергии выпускных газов.

Цель достигаетс  тем, что в силовой установке , содержащей дизельный двигатель внутреннего сгорани  с дефлекторами, турбокомпрессор (ТК), турбовентил тор (ТВ), работающий на выпускных газах ТК, охладитель наддувочного воздуха (ОНВ) и масла (ОМ), по крайней мере одно активное газовое сопло, эжектирующее воздух окружающей среды, регулирующий газораспределительный орган , соединенный с блоком управлени , выпускна  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 располагаютс  в аэродинамическом канале, имеющем конфузорную геометрию по направлению движени  охлаждающей среды, после охладителей наддувочного воздуха и масла, а выходна  магистраль конфузорного канала соединена с газовым эжектором, установленным на выпускном патрубке турбины ТВ, При этом турбовентил тор преимущественно осевого типа подключен выпускной магистралью к приемным окнам дефлектора, в который заключены охлаждаемые элементы двигател  внутреннего сгорани .

Новым  вл етс  то, что охлаждение двигател , наддувочного воздуха, масла и регулирование степени наддува на различных режимах работы двигател  производ тс  единой системой турбокомпрессор-турбо- вентил тор-теплообменник-аэродннэмиче ский конфусорный канал и активные сопла через регулирующий дроссель с помощью энергии выпускных газов основного турбокомпрессора , что повышает степень утилизации энергии выпускных газов двигател  и воздуха окружающей среды. В этом случае отпадает необходимость в испопьзовании громоздкого привода вентил тора дл  одновременного охлаждени  двигател  и теплообменных аппаратов потоком воздуха малых скоростей (как это предусмотрено в базовом двигателе); исключаетс  необходимость многореагентности наддувочных агрегатов при регулировании наддува последовательным их включением или выключением. Турбовентил тор, подключенный к выпускной магистрали турбокомпрессора наддувочного воздуха, работает параллельно с аэродинамическим каналом, о котором установлены охладители наддувочного воздуха и масла, и последовательно с) аз овым эжектором, установленным на выходе системы, что позвол ет осуществить гибкое регулирование наддува и охлаждени  наддувочного воздуха, масла и поверхностей двигател  в широком диапазоне режимов работы силовой установки.

На чертеже представлена схема предложенной установки.

Установка содержит дизельный двигатель 1 воздушного охлаждени  с дефлекторами 2, выпускным 3 и впускным 4 трубопроводами, основной турбокомпрессор 5-6, компрессор 6 которого соединен через охладитель 7 наддувочного воздуха с впускным трубопроводом4 двигател  1,тур- бовентил тор 8-9, св занный с основным турбокомпрессором выпускной магистралью 10, подающей выпускные газы через регулирующий орган 11, соединенный с Споком 12 управлени  по трубопроводу 13 на активные сопла 14, установленные в кон- фузорном 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 турбовентил тора. Турбовентил тор 9, преимущественно осевого типа, подключен выпускной магистралью 19 к приемным окнам дефлектора 2, в который заключены охлаждаемые элементы двигател  t внутреннего сгорани .

Силова  установка работает следующим образом. Газы, отработавшие в двигателе 1, подаютс  в турбину 5 компрессора, откуда по трубопроводу 10 через регулирующий орган 11, управл емый блоком 12, распредел ютс  между силовой турбиной в гурбовентил тора, вращающей вентил тор 9, и активными соплами 14, эжектмру- ющими воздух окружающей среды через охладители наддувочного воздуха 7 и масла 18, расположенные в конфузорном аэродинамическом канале 15. Смесь подогретого при смывании теплообменных ал- паратое 7 и 16 потока воздуха окружающей и затопленных струй газов после сопл

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

8, либо отсасываютс  потоком выход щим из нее газов. Регулирование температурного режима двигател  производитс  с помощью регулирующего органа 11, управл емого блоком 12, имеющего датчики

0 температуры, установленные на соответствующих элементах установки. На максимальном и номинальном режимах работы двигател  примерно половина выпускных газов турбины 5 поступает на силовую тур5 бину 8, обеспечива  охлаждение с помощью осевого вентил тора 9 теплонапр женных элементов двигател . Друга  часть газов подаетс  на активные сопла 14, эжектирую- щие затопленными стру ми газа воздух

0 окружающей среды и прокачивающие его через охладитель 7 наддувочного воздуха и охладитель 16 масла, обеспечива  тем самым поддержание необходимого температурного режима.

5 На частичных режимах работы двигател  больша  часть выпускных газов турбины 5 перепускаетс  на силовую турбину 8, вращающую вентил тор 9, и меньша  часть - на активные сопла 14, В этом случае возраста0 ет противодавление за турбиной 5 (силова  турбина 8 создает большее противодавление , чем сопла 14), увеличиваетс  частота вращени  ее вала и компрессора 6, вследствие чего повышаетс  давление и количество

5 воздуха, поступающего в двигатель. В известных системах при таких услови х происходит снижение как давлени  наддува, так и производительности компрессора вследствие качественного изменени  параметров

0 выпускных газов двигател .

Охлаждение наддувочного воздуха и масла на частичных режимах при малом перепуске выпускных газов турбины 5 на сопла 14 обеспечиваетс , во-первых, за счет

5 снижени  температурного уровн  сжатого воздуха в компрессоре 6 и, во-вторых, за счет эжектировзни  воздуха отход щими газами турбины 8 в эжекторе 18, а также за счет самот ги в аэродинамическом канале

0 15 вследствие его конфузорностет а направлении потока охлаждающего воздуха.

Предлагаема  силова  установка имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом и аналогами: охлаждение теп5 лонапр женных поверхностей двигател , наддувочного воздуха и масла, а также регулирование степени наддува на частичных режимах работы установки производитс  за cnet вторичных энергоресурсов путем использовани  энергии выпускных газов основного турбокомпрессора в турбовентил - торе и в активных соплах, струи которых эжектируют воздух окружающей среды через аэродинамический канал с расположенными в нем охладител ми наддувочного воздуха и масла; отпадает необходимость в использовании громоздкого вентил тора (как это предусмотрено в базовом двигателе ), приводимого через гидромуфту от вала отбора мощности двигател  дл  одновре- менного охлаждени  двигател , наддувочного воздуха и масла, вследствие раздельного охлаждени  двигател  высокоскоростным осевым вентил тором, приводимым от силовой турбины и охладителей наддувочного воздуха и масла, установленных в конфузорном аэродинамическом канале , воздухом окружающей среды, эжектируемым затопленными стру ми газа из активных сопл; отпадает необходимость регулировани  давлени  перед двигателем путем использовани  многореагентного наддува (как это предусмотрено в за вке 60-75721 и др.) вследствие предлагаемого регулировани  наддува перепуском выпуск- ных газов на турбовентил тор или на эжек- тирующее устройство аэродинамического канала с теплообменными аппаратами; позвол ет использовать свойства затопленной струи выпускных газов турбокомпрес- сора и смеси их с эжектируемым воздухом окружающей среды не только дл  охлаждени  наддувочного воздуха и масла в теплообменниках аэродинамического канала, но и дл  снижени  давлени  на выходе газов из силовой турбины, обеспечивающей вращение вентил тора и повышающей противодавление на выпуске газов из турбокомпрессора; позвол ет использовать турбовентил тор дл  непосредственного интенсивного охлаждени  теплонапр жен- ных поверхностей двигател  потоком воздуха вместо опосредованного при жидкостном охлаждении, как это предусмотрено в прототипе (а.с. № 178243); раздельное охлаждение наддувочного воздуха и масла в аэродинамическом канале и двигател  с помощью турбовентил тЬра позвол ет по сравнению с прототипом увеличить степень регулировани  давлени  наддува на частичных нагрузках путем перепуска выпускных газов турбокомпрессора на активные сопла или силовую турбину; позвол ет эффективно охлаждать наддувочный воздух и масло на номинальном и близких к нему режимах в теплообменниках, установленных в аэродинамическом канале, за счет использовани  потока эжектируемого воздуха окружающей среды с помощью струй газа из активных сопл и на частичных режимах при работающем турбовентил торе - за счет эжектировзни  воздуха окружающей среды, протекающего в конфузорном аэродинамическом канале, газами, выход щими из силовой турбины турбовентил тора; позвол ет по сравнению с прототипом увеличить степень утилизации энергии отработавших газов путем использовани  смеси газов, выход щих из активных сопл, и эжектируемого воздуха окружающей среды дл  снижени  давлени  на выпуске газов силовой турбины.

Указанные преимущества позвол ют производить комплексную утилизацию энергии выпускных газов и воздуха окружающей среды, способствующую не только повышению эффективности охлаждени  двигател  и наддувочного воздуха, но и улучшению регулировани  наддува, что существенно улучшает основные характеристики силовой установки и ее экологические свойства.

(56) Авторское свидетельство СССР № 179243, кл. F 02 С 3/00, 1966.

Формулэ изобретени 

t. СИЛОВАЯ УСТАНОВКА, содержаща  по меньшей мере один рабочий цилиндр двигател  внутреннего сгорани  с головкой , дефлектором и ребрами воздушного охлаждени , впускной и выпускной трубопроводы , турбокомпрессор, подключенный компрессором к впускному трубопроводу через охладитель наддувочного воздуха, а турбиной - к выпускному трубопроводу, и турбовентил тор, св занный входом турбины через регулирующий орган с турбиной турбокомпрессора, а выходом турбины - с атмосферой, отличающа с  тем, что, с целью повышени  эффективности, она снабжена газовыми соплами, охладителем

масла и аэродинамическим каналом, при- чем турбина турбокомпрессора через регулирующий орган св зана по меньшей мере с одним газовым соплом, установленным вместе с охладител ми масла и наддувочного воздуха в аэродинамическом канале. 2. Установка по п.1, отличающа с  тем, что она снабжена газовым эжектором, св занным с выходом турбовентил гора, а аэродинамический канал выполнен конфу- зорным по направлению охлаждающего еоздуха и выходом подключен к газовому эжектору.

3. Установка no n.t, отличающа с  тем, что турбовентил тор выполнен осевым и подключен выпускной магистралью к де- флектору.