Способ производства энергии в двигателе внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

 

1. Способ производства энергии в двигателе внутреннего сгорания путей подачи в двигатель воздуха, сжатого в компрессоре, привод которого осуществлен от турбины, работающей на выхлопных газах двигателя, частичного отбора сжатого воздуха между компрессором и двигателем и добавления отобранного сжатого воздуха к потоку выхлопных газов на впуске в турбину с передачей тепловой энергии отработавших в турбине газов отобранному сжатому воздуху, о тличающийся тем, что, с целью повышения эффективности использования энергии отработавших в турбине газов, одновременно с отбором и передачей тепловой энергии отработавших газов отобранному воздуху производят частичный отбор и передачу их массы путем эжектирования газов сжатьм воздухом и их смешения, 2, Способ по п. 1, отличающийся тем, что давление сжатого воздуха в смеси с отработавшими газами к потоку выхлопных газов производят на входе в турбину и под углом к оси потока, 3.Двигатель внутреннего сгорания , содержащий турбокомпрессорную группу, у которой по меньшей мере один компрессор соединен через воздухонапорный трубопровод с впускным ресивером двигателя и кинематически связан с турбиной, выходной патрубок которой сообщен с атмосферой, а впускной канал - с открытым торцом выхлопного коллектора двигателя, воздухоохладитель , установленный в воздухонапорном трубопроводе, перепускной трубопровод, соединяющий воздухонапорный трубопровод с магистралью О) .подачи выхлопных газов из коллектора с во впускной канал турбины, и установленный в перепускном трубопроводе блок передачи воздуху энергии отработавших газов турбины, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, блок передачи воздуху энергии отработавших газов выполнен в виде эжектора, у которого впускное а отверстие пассивного сопла подсоединено к выходному патрубку турбины, а со о активное сопло выполнено в виде участка перепускного трубопровода, 4.Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что соединение перепускного трубопровода с магист ралью подачи выхлопных газов выполнено под углом. 5. Двигатель по -п. 3, отличающийся тем, что соединение перепускного трубопровода с магистралью подачи выхлопных газов выполнено в торце выхлопного коллектора.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦ ЮЛИСТМЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН цЮ (И)

gyp F 02 В 37/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

l1O ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К IlATEHTY (21) 3259054/25-06 (22) 20.03.81 (31) 80.06439 (32) 21.03.80 (33) Франция (46) 30.08.84 ° Бюл. 11 32 (72) Реми Куртиль (Франция) (71) Сосьете д Этюд де Машин Термик

С.Э.M.Т ° (Франция) (53) 621 ° 43.052(088.8) (56) 1. Патент США В 3103780, кл. 60-13, опублик. 1980. (54) СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ

В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. (57) 1. Способ производства энергии в двигателе внутреннего сгорания путей подачи в двигатель воздуха, сжатого в компрессоре, привод которого осуществлен от турбины, работающей на выхлопных газах двигателя, частичного отбора сжатого воздуха между компрессором и двигателем и добавления отобранного сжатого воздуха к потоку выхлопных газов на впуске в турбину с передачей тепловой энергии отработавших в турбине газов отобранному сжатому воздуху, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности использования энергии отработавших в турбине газов, одновременно с отбором и передачей тепловой энергии отработавших газов отобранному воздуху производят частичный отбор и передачу их массы путем эжектирования газов сжатым воздухом и их смешения.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что давление сжатого воздуха в смеси с отработавшими газами к потоку выхлопных газов производят на входе в турбину и под углом к оси потока.

3. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий турбокомпрессорную группу, у которой по меньшей мере один компрессор соединен через воздухонапорный трубопровод с впускным ресивером двигателя и кинематически связан с турбиной, выходной патрубок которой сообщен с атмосферой, а впускной канал - с открытым торцом выхлопного коллектора двигателя, воздухоохладитель, установленный в воздухонапорном трубопроводе. перепускной трубопровод, соединяющии воздухо- Q напорный трубопровод с магистралью подачи выхлопных газов из коллектора во впускной канал турбины, и установ- С ленный в перепускном трубопроводе блок передачи воздуху энергии отрабо- Я тавших газов турбины, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения эффективности, блок передачи воздуху ва4 энергии отработавших газов выполнен >а в виде эжектора, у которого впускное отверстие пассивного сопла подсоединено к выходному патрубку турбины,. а 1 р активное сопло выполнено в виде участка перепускного трубопровода.

4. Двигатель по и. 3, о т л и ч а ю шийся тем, что соединение перепускного трубопровода с магистралью подачи выхлопных газов вьптолнено под углом.

5. Двигатель по и. 3, о т л ич а ю шийся тем, что соединение перепускного трубопровода с магистралью подачи выхлопных газов выполнено в торце выхлопного коллектора. с

1111690

6. Двигатель по пп. 3, 4 и 5, о тл и ч а ю шийся тем, что турбокомпрессорная группа выполнена двухступенчатой с турбинами высокого и ,низкого давления и впускное отверстие пассивного сопла эжектора подсоедине-. но к выходному патрубку турбины низкого давления.

7. Двигатель по и. 6, о т л и— ч а ю шийся тем, что соединение

Изобретение относится к области машиностроения, а именно двигателестроения — системам наддува двигателя внутреннего сгорания.

Известен способ производства энер- 5 гии в двигателе внутреннего сгорания путем подачи в двигатель воздуха, сжатого в компрессоре, привод, которого осуществлен от турбины, работающей на выхлопных газах двигателя, частичного отбора сжатого воздуха между компрессором и двигателем и добавления отобранного сжатого воздуха к потоку выхлопных газов на впуске в турбину с передачей тепловой 1S энергии отработавших в турбине газов отобранному сжатому воздуху 13.

Двигатель внутреннего сгорания, предназначенный для реализации из20 вестного способа, содержит турбокомпрессорную группу, у которой по меньшей мере один компрессор соединен через воздухонапорный трубопро" вод с впускным ресивером двигателя и кинематически связан с турбиной, выходной патрубок которой сообщен с атмосферой, а впускной канал — с открытым торцом выхлопного коллектора двигателя, воздухоохладитель, установленный в воздухонапорном трубопроводе, перепускной трубопровод, соединяющий воздухонапорный трубопровод с магистралью подачи выхлопных газов из коллектора во впускной канал турбины, и установленный в пере-З5 пускном трубопроводе блок передачи воздуху энергии отработавших газов турбины С11.

В известном способе и устройстве используется тепловая энергия от- 4О перепускного трубопровода с магистралью подачи выхлопных газов выполнено между турбинами высокого и низкого давления.

8. Двигатель по пп. 3-7, о т л ич а ю шийся тем, что соединение перепускного трубопровода с воздухонапорным трубопроводом выполнено между компрессором и воэдухоохладителем. работавших в турбине газов, но не их масса, что снижает эффективность использования их энергии.

Цель изобретения — повышение эффективности использования отработавших в турбине газов.

Для достижения поставленной цели согласно способу производства энергии в двигателе внутреннего сгорания путем подачи в двигатель воздуха, сжатого в компрессоре, привод которого осуществлен от турбины, работающей на выхлопных газах двигателя, частичного отбора сжатого воздуха между компрессором и двигателем и добавления отобранного сжатого воздуха к потоку выхлопных газов на впуске в турбину с передаЧей тепловой энергии отработавших в турбине газов отобранному сжатому воздуху, одновременно с отбором и передачей тепловой энергии отработавших газов отобранному воздуху производят частичный отбор и передачу их массы путем эжектирования газов сжатым воздухом и их смешения.

Добавление сжатого воздуха в смеси с отработавшими газами к потоку выхлопных газов производят на входе в турбину и под углом к оси потока.

Для повышения эффективности двигателя внутреннего сгорания, содержащего турбокомпрессорную группу, у которой по меньшей мере один компрессор соединен через воздухонапорный трубопровод с впускным ресивером двигателя и кинематически связан с турбиной, выходной патрубок которой сообщен с атмосферой, а впускной

1111690 канал — с открытым торцом выхлопного коллектора двигателя, воздухоохладитель, установленный в воздухонапорном трубопроводе, перепускной трубопровод, соединяющий воздухонапорный трубопровод с магистралью подачи выхлопных газов из коллектора во впускной канал турбины, и установленный в перепускном трубопроводе блок передачи воздуху энергии отработавших газов турбины, блок переда-чи воздуху. энергии отработавших газов выполнен в виде эжектора, у которого впускное отверстие пассивного сопла подсоединено к выходному патруб-! ку турбины, а активное сопло выполнено в виде участка перепускного трубопровода.

Соединение перепускного трубопровода с магистралью подачи выхлопных газов может быть выполнено под yrлом.

Соединение перепускного трубопровода с магистралью подачи выхлопных газов может быть выполнено в торце выхлопного коллектора.

Турбокомпрессорная группа может быть выполнена двухступенчатой с турбинами высокого и низкого давления и впускное отверстие пассивного сопла эжектора подсоединено к выходному патрубку турбины низкого давления.

При этом соединение перепускного трубопровода с магистралью подачи выхлопных газов может быть выполне35 но между турбинами высокого и низкого давления.

Соединение перепускного трубопровода с воздухонапорным трубопроводом

40 может быть выполнено между компрессором и воздухоохладитепем.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства, на фиг. 2 — схематическое изображение устройства, в 45 котором отобранное количество сжато1 го воздуха получает тепловую энергию одновременно с некоторой массой отработавших в турбине газов в результате смещения в эжекторе, на фиг. 3 -59 вариант осуществления изобретения, в котором отобранное количество сжатого воздуха разогревается во время использования этого воздуха для охлаждения по меньшей мере одного вы- 55 пускного клапана двигателя внутреннего сгорания, на фиг. 4 — вариант осуществления изобретения, в котором отобранное количество сжатого воздуха подается во входную улитку по меньшей мере одной турбины, работающей на выхлопных газах; на фиг. 5 частичный вид в поперечном разрезе

А-А на фиг. 4; на фиг. 6 — вид в частичном разрезе плоской развертки улитки в развороте на 360

Двигатель внутреннего сгорания, например дизельный двигатель 1 имеет по меньшей мере один ряд цилиндров 2, например шесть. Двигатель может иметь несколько рядов цилиндров, например два, расположенных V -образно. В этом случае предусмотрено по одной группе наддува на каждый ряд цилиндров. Каждый ряд цилиндров двигателя включает в себя впускной ресивер 3 и по меньшей мере один выхлопной коллектор 4 модульного типа с преобразователем импульсов, состоящий из одинаковых участков с постоянным поперечным сечением проходного отверстия на всей длине.

Двигатель 1 выполнен с наддувом от одно- или многоступенчатой турбокомпрессорной группы, воздушный компрессор которой кинематически связан с турбиной. В данном случае показан один компрессор 5, а турбокомпрессор включает в себя турбину 6, связанную механически с компрессором 5 посредством промежуточного вала 7.

Выходное отверстие компрессора через воэдухонапорный трубопровод 8 связано с впускным ресивером 3 двигателя 1 °

Воздухоохладитель 9 служит для охлаждения сжатого воздуха наддува двигателя. Впускной канал 10 турбины

6 посредством трубопровода 11 связан с открытым торцом выхлопного коллектора 4. Соединение перепускного трубопровода 12 с воздухонапорным трубопроводом 8 выполнено между компрессором и воздухоохладителем 9, а с магистралью подачи выхлопных газов в торце. При этом отводимое количество разогретОго сжатого воздуха поступает .в коллектор в точке самого низкого мгновенного давления выхлопных газов в коллекторе. Выбрр для подачи сжатого воздуха именно этого места выхлопного коллектора обусловлен тем, что первыи цилиндр двигателя может всасывать воздух.

В этом случае передача энергии отводимому количествУ сжатого воздуха осуществляется в форме тепла и массы

1111690

S путем непосредственного смешения большей части отводимого сжатого воздуха с частью потока газов, выходящих иэ турбины в результате эжектирования.

Сжатый воздух в ниде оцной воздушной 5 струи эжектирует эти газы. С этой целью предусмотрен один эжектор

13, активное сопло t4 которого выполнено в виде участка перепускного трубопровода 12, а впускное отверстие 10 пассивного сопла 15 при помощи трубы 16 подсоединено к выхлопному патрубку 17 турбины 6. На выходе эжектора 13 смесь газов и сжатого воздуха через трубопровод 12 подается в выхлопной коллектор 4 двигателя l°.

Отводимое количество сжатого воздуха регулируется, и отбор может быть прерван или прекращен при запуске двигателя или при его работе

2О с мощностью, достаточно высокой для того, чтобы производительность турбокомпрессорной турбины соответствовала потребностям двигателя. С этой целью перепускной трубопровод 12 оборудован клапаном или аналогичным устройством 18, например задвижкой с постепенным изменением сечения.

Этот клапан должен быть закрыт по достижении некоторого определенного значения мощности. Управление им может осуществляться в зависимости от мгновенного значения давления воздуха за компрессором или давления впуска воздуха в двигатель (поскольку З5 давление сжатого воздуха на выходе компрессора приблизительно пропорционально мощности, развиваемой двигателем, в относительно широком диапазоне скоростей вращения двигателя). 40

Во избежание любого изменения направления движения отводимого количества сжатого воздуха в перепускном . трубопроводе 12 необходимо, чтобы давление выхлопных газов в выхлопном 45 коллекторе 4 было ниже давления сжатого воздуха в перепускном трубопроводе.

Для автоматического предотвращения такого изменения направления движения потока в перепускном трубопроводе ус; танавливается обратный или отсечный клапан 19. Когда клапан 18 работает как заслонка, он должен быть закрыт при запуске двигателя 1 (т.е. когда давление поступающего воздуха равно нулю), а также когда давление газов в выхлопном коллекторе 4 начинает превышать давление сжатого воздуха в перепускном трубопроводе 12 (в частности, в случае отсутствия обратного или отсечного клапана 19).

В варианте на фиг. 3 передача энергии отводимоМу количеству сжатого воздуха осуществляется в виде тепла, отдаваемого горячим органом двигателя, например подвижным клапаном, таким образом, что одновременно этот горячий орган охлаждается за счет циркуляции сжатого воздуха. С этой целью в горячем подвижном органе выполнен канал для прохода сжатого воздуха, движущегося в перепускном канале 12. В этом случае предпочтительно.» чтобы отбор сжатого воздуха осуществлялся п6сле охлаждения в воздухоохладителе.

На фиг. 1 показан отбор тепла от одного выпускного клапана двигателя

1. В этом клапане выполнен один канал 20 для охлаждения сжатого воздуха, соединенный обоими своими торцами с перепускным трубопроводом 12. !

Турбина выполнена осевой, и ее входной патрубок обычно подсоединен к магистрали подвода выхлопных газов посредством диффузора, особенно в случае выполнения выхлопного коллектора модульным о преобразователем импульсов. Однако для лучшего использования кинетической энергии газов желательно сохранить высокую скорость, которой газы располагают после выхода из коллектора, и устранить диффузор, соединив выход выхлопного коллектора и вход турбины посредством улитки 21 или аналогичного устройства, в котором проходное сечение постепенно уменьшается от входа 22 до колеса 23, как это показано на фиг. 4-6. Это позволяет исключить направляющий аппарат турбины и заменить его улиткой, причем функция ускорения потока выполняется выхлопным коллектором. В этом варианте осуществления изобретения связь между выхлопным коллектором 4 и осевой трубиной 6 осуществляется посредством спирального корпуса, закрывающего колесо 23 турбины с лопатками.

Как уже указывалось, улитка 21 имеет такую форму, что проходное сечение для газов постепенно уменьшается таким образом, что скорость входа газов в колесо 23 турбины постоянна по всему периметру этого колеса.

В варианте, представленном на

1111690 фиг. 4-6, добавление сжатого воздуха в смеси с отработавшими газами к потоку выхлопных газов производят на входе в турбину и под углом к потоку, значение которого подбирается.

Если выхлопной коллектор 4 двигателя 1 и по меньшей мере одна турбина 6 турбокомпрессорной группы связаны при помощи улитки, то добавление осуществляют по касательной к траектории входа выхлопных газов в улитку в начале их изогнутой траектории в этой улитке с тем, чтобы вызвать отклонение траектории и произвести благоприятное изменение треугольников скоростей движения газов в лопатках колеса турбины. угол выбирается в зависимости от рабочего состояния турбины. Перепускной тру- 20 бопровод 12 подсоединен к улитке с возможностью изменения угла о

Такое соединение может быть выполнено при помощи патрубка 24 или аналогичного ему средства, шарнирно соединенного в точке 25 с улиткой 21.

На фиг. 1 схематически представлены различные контуры или каналы протекания газовых сред. Непрерывными линиями обозначены постоянные

i каналы или предпочтительно используемые каналы, прерывистыми или пунктирными линиями обозначены каналы, используемые при различных вариантах осу35 ществления изобретения. Воздушный компрессор наддува может быть выполнен одноступенчатым или многоступенчатым, например двухступенчатым. Во втором случае он содержит одну ступень низкого давления 26, из которой сжатый воздух поступает во вторую ступень высокого давления 27, проходя при этом через промежуточный охладитель воздуха (не показан). Основной

45 поток сжатого воздуха, выходящий из .компрессора, проходит через воздухоохладитель 28 и поступает в двигатель внутреннего сгорания 1, обозначенный . контуром через впускной ресивер по- следнего. Этот воздух используется

50 для образования горючей смеси, при сгорании которой в различных рабочих цилиндрах двигателя образуются продукты сгорания, последние.в результате прямого контакта нагревают, 55 в частности, различные части или детали двигателя такие, например, как выхлопные клапаны 29, через кото рые они вытекают, выходя иэ цилиндров и поступая уже в виде выхлопных газов по меньшей мере в один выхлопной коллектор 30 двигателя 1 (пределы двигателя обозначены пунктирным прямоугольником). Затем газы поступают по меньшей мере в одну газовую турбину, предназначенную (но не обязательно) для привода воздушного компрессора. Эта турбина может быть одноступенчатой или многоступенчатой, например двухступенчатой, содержащей одну турбину высокого давления 31 (обозначенную пунктирным кружком) и одну турбину низкого давления 32.

Отводимое по каналу 33 количество сжатого воздуха А, отбираемое на выходе компрессора перед воэдухоохладителем 28, проходит через теплообменник 34, где воздух разогревается отработавшими газами СЕ, выходящими из турбины по каналу 35 и тоже проходящими через теплообменник 34 в атмосферу. Разогретый сжатый воздух в количестве А нагнетается в выхлопной коллектор 30, где происходит смешивание сжатого воздуха с выхлопными газами, питающими турбину °

В соответствии с изобретением теплообменник 34 представляет собой зжектор, в котором часть газов СГ, выходящих иэ турбины, смешивается со сжатым воздухом, в результате чего образуется горячая газовая смесь

А„, поступающая в выхлопной коллектор 30.

Сжатый воздух в количестве А может быть отобран после воздухоохладителя 28 (см. пунктир), после чего в кбличестве А „ по каналу 36 поступает по меньшей мере .в один нагретый выхлопной клапан 29 двигателя. Проходя через этот клапан, воздух нагревается, одновременно охлаждая клапан. Затем поток нагретого таким образом воздуха вдувается в выхлопной коллектор 30.

В другом варианте отводимое количество сжатого воздуха, отбираемое перед воздухоохладктелем 28, разогревается, обтекая в количестве A по

2 линки 37 горячий выхлопной коллектор 30.

Затем поток разогретого воздуха поступает в выхлопной коллектор.

В случае двухступенчатой турбины отводимое количество сжатого воздуха А, отбирасмое перед воздухоохла1111690

10 дителем, проходит через теплообменник

34, где он разогревается газами, выхо. дящими из турбины низкого давления

32. После этого поток разогретого воздуха вдувается в количестве А> в поток газов, выходящих из турбины высокого давления 31 перед входом турбины низкого давления 32.

В процессе сжатия в эжекторе газы нагреваются значительно больше, чем на выходе турбины, эффект от рецирку ляции газов возрастает.

Предположим, что давление воздуха наддува на выходе компрессора равно

1,3 бар, а его температура 90 . Если температура газов на выходе турбины

400 С и производят рекомпрессию газов до 1,22 бар (давление на входе турбины) в эжекторе, тЕмпература этих же газов достигает 450 С. Количество отобранного газа, равное лишь трети количества активного воздуха, позволяет следовательно, получить газо1 о вую смесь, имеющую температуру 180 С, т. е. примерно такую же, какую получают в рекуперативном теплообменнике.

Таким образом, передача тепла одновременно с передачей массы отработавших в турбине газов путем их эжектирования сжатым воздухом и смешения позволяет повысить эффективность использования энергии отрабо" тавших газов.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения отводимое количество сжатого воздуха, вводимое в улитку 21, может не получить никакого предварительного притока энергии (в частности тепловой) т.е. может

5 поступать непосредственно из компрессора в улитку, не проходя через какой-либо рекуператор тепла (например, теплообменник и т.п.).

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения отводимое количество сжатого воздуха может быть независимым от притока энергии (например, посредством нагревания).

Последний вариант может использоваться в комбинации с отводимым количеством подогретого сжатого воздуха.

В этом случае будет два потока отводимого сжатого воздуха, один иэ которого разогрет, а другой нет. Это поток неразогретого сжатого воздуха может подаваться в улитку 21 по другому перепускному каналу, отделенному от трубопровода 12.

Вариант изобретения, представленный на фиг. 4-6 для осевой турбины, может быть использован и для турбин центростремительного типа для благоприятного воздействия на треугольник скоростей.

30 Таким образом, выполнение блока передачи энергии в виде эжектора и соединение перепускного трубопровода с магистралью подачи выхлопных газов под углом позволяют повысить эффективность двигателя.

1111690

1111690

Заказ 6339/45

Тираж 523 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель N.Ôàéí

Редактор О.Колесникова Техред М.Надь Корректор E.Сирохман