Устройство для использования энергии выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащее лопаточную турбину,.работающую на выхлопных газск двигателя, вторичную турбину, работающую на рабочем теле, подогреваемом выхлопными газами , нагнетатель этого рабочего тела и теплообменник, эазмещенный в магистрали подачи рабочего тела из нагнетателя во вторичную турбину, отл и чающееся тем, что, с целью повышения КПД путем совместного использования кинетической и тепловой энергии, лопаточная турбина .нагнетатель и теплообменник объединены в единый блок, лопатки турбины ,выполнены полыми 6 виде поверхностей теплообменника и их полости включены в магистраль подачи рабочего тела из нагнетателя во вторичную турбину . 2.Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с. я тем, что лопатки выполнены в виде цилиндрических тру-бок . 3.Устройство по пп. 1 и 2, о тл-и чающееся тем, что лопатки расположены равномерно по окружности . 4.Устройство по п. 2, о т лич ающее с я тем, что цилиндрические трубки расположены равномерно (У) по окружностям разного диаметра. 5.Устройство по п. 4, от л ичающееся тем, что трубки, расположённые по окружности разного диаметра, смещены одна относительно другой в угловом направлении, : 6. Устройство по пп. 2-5, отличающееся тем, что наружные поверхности трубок снабжены профильными выступами для повышения сопро 4; ;тивления потоку.

аа П1).

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

Э<51) ОПИСАНИЕ. ИЗОБРЕТ

К ПА ГЕНТУ.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 26 946 98/25-06 (25) 3269654/06 (.22) 08 ° 12.78 (23) 09,04.81 (31) P 2757236,7; P 3016228,8 (42) 22.12.77; "26 ° 04,80 (33) ФРГ (46) 15.02.84. Бюл. М 6

"(72), Хельмут Штрибих (ФРГ) (.71) Порше. AI (ФРГ) (53) 621, 43.057(088.8) (56) 1. Патент Великобритании

В 751192, кл. 7(2) В, опублик .1957, (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ. ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГА.ТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащее лойаточную турбину,.работающую на выхлопных газах двигателя, втбрич ную турбину, работающую на рабочем теле, подогреваемом выхлопными газами, нагнетатель этого рабочего тела и теплообменник, размещенный в магистрали подачи рабочего тела из нагнетателя во вторичную турбину, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения КПД путем совместного использования кинетической и тепловой энергии, лопаточная турбина,,нагнетателв и теплообменник объединены в единый блок, лопатки турбины выполнены полыми в виде поверхностей теплообменника и их полости включены в магистраль подачи рабочего тела иэ нагнетателя во вторичную турбину.

2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с. я тем, что лопатки выполнены в виде цилиндрических тру" бок .

3. Устройство по пп. 1 и 2, о тл.и ч а ю щ е е с я тем, что лопатки расположены равномерно по окружности ..

4. Устройство по и, 2, о т л- ич а ю щ е е с я тем, что цилиндри- ческие трубки расположены равномерно по окружностям разного диаметра.

5. Устройство по п. 4 о-т л ич а ю щ е е с я тем, что трубки, расположенные по окружности разного диаметра, смещены одна относит.ельно другой в угловом направлении.

6. Устройство по пп. 2-5, о т л ич а ю щ е е с я тем, что наружные поверхности трубок снабжены профильHhlMH выступами для повышения сопро тивления потоку.

1074414 тела иэ нагнетателя в утидизационнук турбину, а полые лопатки являются теплообменником. Иощность утилизаци- онной турбины может передаваться на двигатель через привод 31 и расходоваться на привод вспомогательных агрегатов, например на.привод генератора, 60

Лопатки могут быть выполнены профилированными, как показано на фиг. 6, или в виде цилиндрических трубок 32 (фиг. 7) и расположены pasИзобретение относится к испольso- ванию энергии выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания.

Известно устройство для использо вания энергии выхлопных газов двига теля внутреннего сгорания, содержащее лопаточную турбину, работающую на выхлопных газах двигателя, вторичную турбину, работающую на рабо- чем теле, подогреваемом выхлопными газами, нагнетатель этого рабочего тела и теплообменник, размещенный в магистрали подачи рабочего тела из нагнетателя во вторичную турбину Я

В известном устройстве в лопаточкой турбине используется кинематическая энергия выхлопных газов, а в утилизационной - теряемая тепловая энергия, Раздельное использование кинетической и тепловой энергии не позволяет использовать оба эти вида энергии с достаточно высокой эффективностью, Цель .изобретения - повышение КПД путем совместного использования кинетической и тепловой энергии, Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для использования энергии выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащем лопаточную турбину, работающую на выхлопных газах двигателя, вторичную .турбину, работающую на рабочем теле, подогреваемом выхлопным газами, нагнетатель этого рабочего тела и теплообменник, размещенный в магистрали подачи рабочего тела из нагнетателя во вторичную Фурбину, лопаточная-турбина, нагнетатель и теплообменник объединены в единый блок и лопатки турбины выполнены полыми в виде поверхностей теплообменника и их полости включены в магистраль подачи рабочего тела из нагнетателя во вторичную турбину.

Лопатки могут быть выполнены в виде цилиндрических трубок.

Лопатки расположены равномерно по окружности.

Цилиндрические трубки могут быть расположены равномерно пЬ окружнос- . тям разного диаметра.

Трубки, расположенные на окружностях разного диаметра, могут быть смещены одна относительно другой в угловом направлении, . Наружные поверхности трубок могут быть снабжены профильными выступами для повышения сопротивления потоку, На фиг. 1 показана принципиальная схема. устройства; на фиг ° .2 баланс энергии двигателя внутреннего сгорания; иа фиг, 3 — пояснение использования кинетической энергии выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 4 — схематическое.изображение объединенного блока; на фиг. 5 — то же, продольный разрез; на фиг. 6 — поперечный разрез блока по фиг, 5; на фиг. 7 — поперечный разрез блока, у которого лопатки выполнены в. виде цилиндрических трубок; на фиг. 8 - то же, при расположении трубок на окружностях разного диаметра со смещением в уг-ловом направлении; на фиг. 9 — раз- . рез А-А на фиг. 8; на. фиг. 10 — сечение трубки с профильными выступами

10 на наружной поверхности, К двигателю 1 внутреннего сгорания подключена лопаточная турбина 2, работающая на его выхлопных газах и расположенная,с нагнетателем 3 и

15 утилизационнойi турбиной 4 на общем валу 5.Обе турбины, нагнетатель 3 и теплообменник 6 объединены в блок

7. Газовпускная магистраль 8 турбины 2 подключена к выхлопному коллектору двигателя, а выхлопной патру бок 9 - к теплообменнику 6 Через всасывающий трубопровод 10 в нагнетатель 3 поступает рабочее тело, которое затем поступает в:магист25 раль 11, теплообменник 6 и через воздушный трубопровод 12 — в утилизационную турбину 4 и далее по трубопроводу 13 в выхлопную трубу 14.

На фиг. 4 показан блок .7, в кото.

° ром турбина 15, работающая на выхЗ0 лопных газах, размещена между нагие тателем 16 и утилизационной турби ной 17. Вращающийся ротор 18 блока размещен в неподвижном корпусе 19 и вместе с корпусом образует узел 20.

Продольный. разрез этого узла показан на фиг, 5, а поперечный на фиг, 6. Впускные патрубки 21 предусмотрены для. подачи выхлопных газов в корпусе 19. Центральная труба 22

40 снабжена отверстиями 23. Торцы 24 и 25 корпуса 19 образуют опоры для центральной трубы 22, .причем турбинные лопатки выполнены с полостями 26 и торец 24 имеет отверстия 27 для выхлопа из утилизационной турбины. В левой части 28 нагнетателя 16 выполнено отверстие 29 для всасывания воздуха, а с противоположной стороны в корпусе 19 .предусмотрено отвер50

0.стие 30 для отвода выхлопных газов.

Таким образом, полости лопаток включены в магистраль подачи рабочего номерно по окружности (фиг. 6.и 7), 1074414

4 нетической энергии для превращения в работу и тепловой энергии, котоили по окружностям разного диаметра (фиг, 8), причем в последнем случае трубки, расположенные на окружностях разного диаметра, смещены одна односительно другой в угловом направлении. Лопатки 32, выполненные в виде трубок, могут быть снабжены иа наружно 1 поверхности профильными выступами 33 любой конфигурации для повышения сопротивления потоку. В .случае выполнения в виде трубок лопаточную турбину выполняют с выпускными патрубками 34 касательными к ее корпусу, Устройство может быть также снабжено вецомым элементом 35 для передачи можности двигателя 1 или вспомогательным агрегатам, После запуска двигателя 1 выхлоп ные газы приводят во вращение турби» ну 2, а последняя — нагнетатель 3. .Всасываемый и сжимаемый в нагнетателе воздух подводится через магистраль 11 в теплообменник 6. В тот же; .теплообменник поступают выхлопные газы из выхлопного .патрубка 9, В теплообменнике происходит теплообмен между выхлопными газами .и воздухом, нагретый воздух поступает в утилизационную турбину и там расширяется, отдавая энергию, и через трубопровод 13 отводится в выхлопную трубу

14, а-затем в атмосферу.

Если турбины, нагнетатель и теп-. лообменник объединены в блок .:, теплообменник выполнен в виде поло-. стей в лопатках турбины, работающей на выхлопных газах, то,. как показано на фиг. 4-10, после запуска двигателя 1 его выхлопные газы через впускные патрубки 21 подводятся .к турбине 15, работающей на выхлопных газах, Эта турбина приводит нагнетатель .16.

Последний сжимает воздух, подает его через полости 26 в лопатках турбины 15 к утилизационной турбине 17.

В полостях лопаток этот воэдук нагревается теплом выхлопных газов и они служат поверхностями теплообменника. Полости лопаток включены в магистраль подачи воздуха из нагнетателя в утилизационную турбину 17, в которой воздух расширяется,.совершая полезную работу.

Таким образом, в турбине 15 происходит совместное использование киI рая передается сжатому рабочему телу

45 Известно, что вследствие неполно,го расширения в цилиндрах двигателя часть теоретически достижимой мощности теряется. Это мощность потерь составляет в зависимости от эксплуатационного режима двигателя 20-40% индикаторной мощности Li (фиг. 3).

Устройство позволяет использовать энергию этих потерь совместно, что повышает его КПД. (воздух) для последующего.превраще ния в работу в утилизационной турбине.

Если лопатки выполнены в виде цилиндрических трубок, то отвод отработавших на лопатках выхлопных газов осуществляется не через отверстие 30

10 в торце корпуса, а через специально .предусмотренный выпускной патрубок, . расположенный тангенциально к цилиндрической поверхности корпуса.

Профильные выступы на наружной.

15 поверхности трубок, повышающие соп,ротивление .потоку, улучшают теплооб.МеН между газами с рабочим телом и улучшают. использование тепловой энергии.

В качестве рабочего тела может быть использован не только воздух, но также и вода или другой испаряемый агент, например фреон, толуол

25 и т.п. В этом. случае нагнетатель 16 должен быть заменен насосом, Исследованиями энергетического баланса автомобиля установлено распределение энергии s двигателе внутреннего сгорания с принудительным зажиганием и водяным охлаждением. Из подводимогос топливом тепла око-. ло 35% теряется с выхлопными газами, около 20% - с охлаждающей водой и около 20% - через тепловое излучение.

Так что только 25% эффективно превращается в работу (фиг. 2) . Из этого следует, что значительная часть энергии теряется с выхлопными газами.

Это потери с одной стороны, кинети40 ческой энергии (скорость выхлопных . газов) и, с другой стороны, тепловой энергии (высокая температура выхлопных газов) .

1074414

10744l4

1074414

Составитель М..Файн

Редактор О.Колесникова Техред: С.Легейа

Корректор и ар ©

Заказ 404/56 Тираж 524 Водпнсйое

BHHHGH Государственного ковытета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Оююмюю í ппп патент, r .Óæãîðîä, ул.проектная, 4