RU2787443C1 - Deep charge air cooling system for combined engine - Google Patents

Abstract

FIELD: internal combustion engines.

SUBSTANCE: invention can be used in internal combustion engines. The system of deep charge air cooling of the combined engine contains an internal engine (1) with inlet and outlet pipelines (2) and (3) a turbocharger consisting of a compressor (5) and a turbine (4), a vortex cooler (7) and a heat exchanger (8). A heat exchanger (9) of the second stage is installed, cooled by a turbofan. The turbofan consists of a turbine (10) with an electromagnetic clutch (11) and blades (12). The turbofan is configured to be controlled by the electronic control unit (14) depending on the readings of the charge air temperature sensor (13).

EFFECT: improving the cooling of the charge air due to the beneficial use of the energy of the hot air flow discharged from the vortex cooler into the environment.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для повышения эффективности охлаждения наддувочного воздуха и повышения мощностных, экономических и экологических показателей комбинированного двигателя с наддувом.The invention relates to mechanical engineering, namely to engine building, and can be used to improve the efficiency of charge air cooling and increase the power, economic and environmental performance of a supercharged combined engine.

Из уровня техники известна система двухступенчатого охлаждения наддувочного воздуха (Авторское свидетельство SU №1312204 A1, F02B 29/04, опубл. 23.05.1987), содержащая двигатель внутреннего сгорания с турбокомпрессором наддува, охладитель первой ступени, охладитель второй ступени, контур циркуляции хладагента, например, фреона, через последовательно сообщенные между собой нагнетатель, конденсатор, испаритель и абсорбер, где охладитель второй ступени охлаждения наддувочного воздуха выполнен заодно с испарителем контура циркуляции хладагента, а охладитель первой ступени охлаждения наддувочного воздуха включен в контур циркуляции хладагента между абсорбером и нагнетателем.A two-stage charge air cooling system is known from the prior art (Author's certificate SU No. 1312204 A1, F02B 29/04, publ. 05/23/1987), containing an internal combustion engine with a turbocharger, a first-stage cooler, a second-stage cooler, a refrigerant circuit, for example , freon, through a supercharger, a condenser, an evaporator and an absorber connected in series, where the cooler of the second stage of charge air cooling is integral with the evaporator of the refrigerant circulation circuit, and the cooler of the first stage of charge air cooling is included in the refrigerant circulation circuit between the absorber and the supercharger.

Недостатком известной системы двухступенчатого охлаждения наддувочного воздуха является ее сложность, обусловленная наличием дополнительного контура циркуляции хладагента (фреона), повышенные требования по техническому обслуживанию и контрольному осмотру системы, с целью не допущения утечки хладагента, а также значительные массогабаритные характеристики.The disadvantage of the known two-stage charge air cooling system is its complexity due to the presence of an additional refrigerant (freon) circulation circuit, increased requirements for maintenance and control inspection of the system in order to prevent refrigerant leakage, as well as significant weight and size characteristics.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является система питания воздухом комбинированного двигателя с глубоким охлаждением, принятая за прототип (Патент РФ №168451 опубл. 02.02.2017 г.), содержащая: двигатель внутреннего сгорания с впускным и выпускным трубопроводом, турбокомпрессор состоящий из компрессора и турбины, дополнительный выпускной трубопровод, нагнетающий трубопровод, глушитель, воздушный фильтр, воздушный трубопровод, охладительную турбину, охладительный компрессор, дополнительный воздушный трубопровод, охладительный трубопровод, вихревой охладитель, теплообменник.The closest in technical essence and the achieved result is the air supply system of a combined engine with deep cooling, adopted as a prototype (RF Patent No. 168451 publ. 02/02/2017), containing: and turbines, auxiliary exhaust pipeline, discharge pipeline, muffler, air filter, air pipeline, cooling turbine, cooling compressor, auxiliary air pipeline, cooling pipeline, swirl cooler, heat exchanger.

Недостатком прототипа является его низкая эффективность обусловленная отсутствием полезного использования энергии потока горячего воздуха отводимого из вихревого охладителя в окружающую среду.The disadvantage of the prototype is its low efficiency due to the lack of useful energy flow of hot air discharged from the vortex cooler into the environment.

Техническим результатом заявленной системы является повышение эффективности охлаждения наддувочного воздуха за счет полезного использования энергии потока горячего воздуха отводимого из вихревого охладителя в окружающую среду.The technical result of the claimed system is to increase the efficiency of charge air cooling due to the beneficial use of the energy of the hot air flow discharged from the vortex cooler into the environment.

Технический результат достигается тем, что устанавливают теплообменник второй ступени, охлаждаемый с помощью турбовентилятора, состоящего из турбины с электромагнитной муфтой и лопастей, выполненного с возможностью управления от электронного блока управления в зависимости от показаний датчика температуры наддувочного воздуха.The technical result is achieved by installing a second-stage heat exchanger, cooled by a turbofan, consisting of a turbine with an electromagnetic clutch and blades, made with the possibility of control from an electronic control unit depending on the readings of the charge air temperature sensor.

Предложение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема системы глубокого охлаждения наддувочного воздуха комбинированного двигателя, содержащая: 1 - двигатель внутреннего сгорания, с впускным 2 и выпускным 3 трубопроводом, турбокомпрессор, состоящий из турбины 4 и компрессора 5, регулировочная заслонка 6, вихревой охладитель 7, теплообменники первой 8 и второй 9 ступени, турбовентилятора, состоящий из турбины 10 с электромагнитной муфтой 11 и лопастей 12, датчик 13 температуры наддувочного воздуха, электронный блок управления 14.The proposal is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a schematic diagram of a deep charge air cooling system of a combined engine, containing: 1 - an internal combustion engine, with an inlet 2 and outlet 3 pipeline, a turbocharger consisting of a turbine 4 and a compressor 5, an adjusting damper 6, a vortex cooler 7, heat exchangers of the first 8 and second stage 9, a turbofan, consisting of a turbine 10 with an electromagnetic clutch 11 and blades 12, a charge air temperature sensor 13, an electronic control unit 14.

На фиг. 2 представлена схема турбовентилятора.In FIG. 2 shows a diagram of a turbofan.

Электромагнитная муфта 11 состоит из ведущей полумуфты 15 и ведомой полумуфты 16, причем вал 17 турбины 10 шлицевым соединением жестко соединен с ведущей полумуфтой 15, а ведомая полумуфта 16 шлицевым соединением жестко соединена с другим валом 18, на втором конце которого болтовым соединением закрепляют лопасти 12 (см. фиг. 2).The electromagnetic clutch 11 consists of a driving half-coupling 15 and a driven half-coupling 16, wherein the shaft 17 of the turbine 10 is rigidly connected with the drive half-coupling 15 by a spline connection, and the driven half-coupling 16 is rigidly connected with another shaft 18 by a spline connection, at the second end of which the blades 12 ( see Fig. 2).

Заявленная система глубокого охлаждения наддувочного воздуха комбинированного двигателя работает следующим образом.The claimed system for deep cooling of the charge air of the combined engine operates as follows.

Отработавшие газы поступают из цилиндров двигателя внутреннего сгорания 1 в выпускной трубопровод 3 и далее на турбину 4 турбокомпрессора. Жестко связанное с турбиной колесо компрессора 5 нагнетает свежий заряд воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания 1, который проходит через регулировочную заслонку 6, охлаждается в теплообменниках первой 8 и второй 9 ступеней.The exhaust gases come from the cylinders of the internal combustion engine 1 to the exhaust pipe 3 and then to the turbine 4 of the turbocharger. Rigidly connected to the turbine, the compressor wheel 5 injects a fresh charge of air into the cylinders of the internal combustion engine 1, which passes through the control damper 6, is cooled in the heat exchangers of the first 8 and second 9 stages.

Охлаждение наддувочного воздуха обеспечивается в два этапа. Первый этап охлаждения осуществляется в теплообменнике первой ступени 8. С этой целью на выходе из компрессора 5 устанавливают регулировочную заслонку 6, которая позволяет обеспечивать отбор и перепуск части наддувочного воздуха для функционирования вихревого охладителя 7. Вихревой охладитель 7 представляет собой вихревую трубку Ранка-Хилша (Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике / Меркулов А.П. - М.: Машиностроение, 1969. - 184 с.). Отобранная регулировочной заслонкой 6 часть воздушного потока, поступающая из компрессора 5, подается через сопловое отверстие в вихревой охладитель 7, в которой происходит его разделение на горячую область высокой температуры (формируется по периферии трубы) и холодную область низкой температуры (формируется по центру трубы). Поток холодного воздуха поступает из вихревого охладителя 7 на теплообменник 8, охлаждает наддувочный воздух, проходящий в нем и далее отводится в окружающую среду.The charge air is cooled in two stages. The first stage of cooling is carried out in the first stage heat exchanger 8. For this purpose, an adjusting damper 6 is installed at the outlet of the compressor 5, which allows for the selection and bypass of part of the charge air for the operation of the vortex cooler 7. The vortex cooler 7 is a Rank-Hilsch vortex tube (Merkulov A.P. Vortex effect and its application in technology / Merkulov A.P. - M.: Mashinostroenie, 1969. - 184 p.). The part of the air flow selected by the control damper 6, coming from the compressor 5, is fed through the nozzle hole to the vortex cooler 7, in which it is divided into a hot region of high temperature (formed along the periphery of the pipe) and a cold region of low temperature (formed in the center of the pipe). The flow of cold air comes from the vortex cooler 7 to the heat exchanger 8, cools the charge air passing through it and then discharged into the environment.

Поток горячего воздуха из вихревого охладителя 7 поступает на турбину 10 турбовентилятора. Крутящий момент от колеса турбины 10 через электромагнитную муфту 11 передается на жестко закрепленные на валу 18 ведомой полумуфты 16 лопасти 12. Электромагнитная муфта 11 обеспечивает вращение лопастей 12 с потребной для поддержания требуемого теплового режима наддувочного воздуха частотой. Создаваемый лопастями 12 поток охлаждающего воздуха прокачивается через теплообменник второй ступени 9, охлаждает проходящий через него наддувочный воздух и далее отводится в окружающую среду. Таким образом обеспечивается второй этап охлаждения наддувочного воздуха.The flow of hot air from the vortex cooler 7 enters the turbine 10 of the turbofan. The torque from the turbine wheel 10 through the electromagnetic clutch 11 is transmitted to the blades 12 rigidly fixed on the shaft 18 of the driven half-coupling 16. The electromagnetic clutch 11 ensures the rotation of the blades 12 with the frequency required to maintain the required thermal regime of the charge air. The flow of cooling air generated by the blades 12 is pumped through the heat exchanger of the second stage 9, cools the charge air passing through it and is then discharged into the environment. This ensures the second stage of charge air cooling.

Регулирование производительности работы вихревого охладителя 7 и турбины 10 турбовентилятора обеспечивается регулировочной заслонкой 6. Регулирование частоты вращения лопастей 12 обеспечивается электромагнитной муфтой 11. Сигнал на исполнительные органы (регулировочную заслонку 6 и электромагнитную муфту 11) отправляется с электронного блока управления 14, данные на который поступают с датчика температуры 13 наддувочного воздуха.The regulation of the performance of the vortex cooler 7 and the turbine 10 of the turbofan is provided by the control damper 6. The speed control of the blades 12 is provided by the electromagnetic clutch 11. charge air temperature sensor 13.

По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение позволит значительно повысить эффективность охлаждения наддувочного воздуха за счет полезного использования энергии потока горячего воздуха отводимого из вихревого охладителя в окружающую среду.Compared with the prototype, the proposed technical solution will significantly improve the efficiency of charge air cooling due to the beneficial use of the energy of the hot air flow discharged from the vortex cooler into the environment.

Claims (1)

Система глубокого охлаждения наддувочного воздуха комбинированного двигателя, содержащая двигатель внутреннего с впускным и выпускным трубопроводами, турбокомпрессор, состоящий из компрессора и турбины, вихревой охладитель, теплообменник, отличающаяся тем, что устанавливают теплообменник второй ступени, охлаждаемый с помощью турбовентилятора, состоящего из турбины с электромагнитной муфтой и лопастей, выполненного с возможностью управления от электронного блока управления в зависимости от показаний датчика температуры наддувочного воздуха.Deep charge air cooling system of a combined engine, containing an internal engine with intake and exhaust pipelines, a turbocharger consisting of a compressor and a turbine, a vortex cooler, a heat exchanger, characterized in that a second stage heat exchanger is installed, cooled by a turbofan, consisting of a turbine with an electromagnetic clutch and blades, made with the possibility of control from the electronic control unit, depending on the readings of the charge air temperature sensor.

Images