Выпускной коллектор двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом

 

Выпускной коллектор содержит охлаждаемую рубашку, в которой размещена жаровая труба, имеющая плоскую продольную перегородку, расположенную в плоскости, симметричной относительно каналов, соединяющих окна для выпускных газов, отводимых от головки блока, с окнами жаровой трубы. Одновременно перегородка расположена по оси окон для отвода газов от головки. Жаровая труба может быть выполнена в виде двух полуцилиндрических труб разной длины с общей диаметральной плоской стенкой, сдвинутых относительно друг друга на расстояние, равное расстоянию между осями двух соседних цилиндров двигателя. Изобретение позволяет повысить эффективность работы коллектора, упростить конструкцию и технологию его изготовления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к выпускным системам двигателей внутреннего сгорания, оснащенных газотурбинным наддувом.

Известно, что подвод отработавших газов в двигателе внутреннего сгорания к агрегату наддува - турбокомпрессору, обеспечивающему подачу воздуха повышенной плотности к цилиндрам на тактах впуска, осуществляется с помощью сборника газа - выпускного коллектора, объединяющего выхлоп из цилиндров блока в один трубопровод или систему трубопроводов.

Наиболее распространен выпускной коллектор, объединяющий все выхлопы из цилиндров в один общий неразделенный трубопровод.

Типичная известная конструкция такого выпускного коллектора, объединяющего выхлоп из всех цилиндров блока в один общий трубопровод, показан, например, на рис. 44 в [1].

Как видно из рисунка, выпускной коллектор имеет общий трубопровод, к которому через газовые патрубки, подсоединенные к выпускным окнам головки блока, подводится отработавший газ от всех цилиндров блока. Колебания давления газа в этом трубопроводе, обусловленные цикличностью работы каждого из цилиндров, имеют тенденцию к сглаживанию своих амплитуд по мере повышения частоты вращения дизеля или увеличения числа цилиндров, подключенных к одному выпускному коллектору. Отмеченное обстоятельство позволяет говорить о выравнивании волн давления в нем, а самому коллектору дать название коллектора постоянного давления (или изобарного).

Турбинная ступень турбокомпрессора, подключенная к такому изобарному коллектору, работает на выровненном по давлению газовом потоке, что способствует повышению коэффициента полезного действия (КПД) турбинной ступени и турбокомпрессора в целом, вследствие постоянства скорости обтекания газовым потоком профильных элементов турбинной ступени.

Изобарный выпускной коллектор прост конструктивно и технологически, позволяет доступными средствами осуществлять его теплоизоляцию в тех случаях, когда ее наличие диктуется требованиями эксплуатации (судовые, комбайновые двигатели, дизель-генераторные установки и пр.).

Вместе с тем отвод отработавших газов в общий присоединенный объем выпускного коллектора сопровождается потерей импульса скорости и давления, формирующегося в газовом патрубке на выходе из цилиндра (указанный импульс на выходе из каждого цилиндра преобразуется в статическое давление во всем объеме выпускного коллектора с необратимой долей гидравлических потерь), что способствует потере части кинетической энергии потока, и, в конечном счете, приводит к уменьшению мощности, развиваемой турбиной, то есть теперь уже к снижению КПД турбинной ступени.

Таким образом, совместная работа турбинной ступени с изобарным выпускным коллектором характеризуется двумя противоречивым тенденциями: повышением КПД за счет работы на выровненном по давлению газовом потоке и, одновременно, падением КПД вследствие частичной потери кинетической составляющей энергии потока в изобарном коллекторе.

Для двигателей с умеренной быстроходностью и малым числом цилиндров в блоке потеря кинетической составляющей в коллекторе с общим трубопроводом превалирует, и, с точки зрения работы турбинной ступени, изобарной коллектор становится менее эффективным.

Другим заметным недостатком изобарного выпускного коллектора является ухудшение процесса газообмена двигателя по причине наложения в нем импульсов выпуска из цилиндров друг на друга. Это приводит к росту работы выталкивания газа из цилиндра, ухудшению очистки цилиндра от выпускных газов, и, в конечном счете, к повышению температуры газа перед турбиной и ухудшению топливной экономичности двигателя.

Устранению перечисленных выше недостатков способствует переход к разделенному или импульсному выпускному коллектору, при наличии которого цилиндры одного блока объединены не одним общим, а несколькими, по меньшей мере двумя трубопроводами, к каждому из которых подсоединяется определенная группа цилиндров.

На рис. 3 (б и в) в [1] приведены типичные известные концепции конструкции импульсного разделенного выпускного коллектора двигателя, оснащенного газотурбинным наддувом.

Как видно из рисунка, цилиндры блока разделены на две группы, каждая из которых объединена своим трубопроводом. Цилиндры блока, подключенные к одному трубопроводу, имеют неперекрывающиеся между собой импульсы выпуска и, как правило, равномерное их чередование для каждого трубопровода.

Импульсный выпускной коллектор может состоять из отдельных трубопроводов (см. б) или одного трубопровода, разделенного перегородками по меньшей мере на две части (см. в). Перед входом в турбину трубопроводы, как правило, снова объединены.

В случае "б" конструкция выпускного трубопровода усложняется, особенно тогда, когда требуется введение его теплоизоляции. В случае "в" конструкция остается достаточно технологичной, в том числе и с точки зрения осуществления его теплоизоляции.

Из сказанного следует, что предпочтительней с точки зрения простоты конструкции является импульсный выпускной коллектор с внутренней перегородкой (см. "в"), при которой сохраняется как бы единый объем коллектора и упрощается организация его теплоизоляции. Условием реализации рассмотренной концепции выпускного коллектора является такое деление цилиндров на две группы, при котором порядок работы последних позволяет объединить рядом расположенные цилиндры без необходимости объединения цилиндров, далеко отстоящих друг от друга или чередующихся в порядке своей работы.

Такой благоприятный порядок чередования работы цилиндров характерен, прежде всего, для шестицилиндровых рядных двигателей, пример импульсного выпускного коллектора которого с перегородкой изображен на рис. 3 (в) в [1].

Вместе с тем, имеется группа двигателей, у которых такое благоприятное с точки зрения конструктивной схемы импульсного коллектора чередование работы цилиндров отсутствует. В частности, таковыми являются рядные четырехцилиндровые двигатели с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Для обеспечения равномерности чередования тактов выпуска в каждом из двух трубопроводов импульсного выпускного коллектора таких двигателей необходимо, как известно, объединить трубопроводами 1-3 и 2-4-ый цилиндры в первом случае и 1-4 и 2-3-ий цилиндры во втором.

Приведенный порядок работы, таким образом, требует объединения цилиндров, чередующихся при работе через один цилиндр, или объединения крайних и срединных цилиндров, что делает невозможным использование при этом однотрубного выпускного импульсного коллектора с перегородкой типа показанной на фигуре 3 (в) в [1], поскольку приходится объединять в группу цилиндры не соседние, а отстоящие друг от друга, разделенные цилиндрами другой группы. Такого рода выпускной коллектора показан на рис. 31 в [1], который имеет сложную пространственную конструкцию, затрудняющую введение экранирующей рубашки с целью его теплоизоляции, а также усложняющую и удорожающую технологию его изготовления.

Задача, таким образом, состоит в том, чтобы применительно, например, к четырехцилиндровому двигателю с чередующимся порядком работы цилиндров разместить в одном объеме выпускного коллектора по меньшей мере два импульсных канала-трубопровода, объединяющих цилиндры, порядок работы которых является оптимальным с точки зрения равномерности и сохранения импульсности, и повысить тем самым компактность выпускного коллектора, а также упростить его конструкцию и технологию изготовления.

Указанная задача решается тем, что выпускной коллектор, для двигателя внутреннего сгорания с импульсным газотурбинным наддувом, содержит жаровую трубу с окнами для выпускных газов, разделенную продольной перегородкой на отдельные каналы, которая установлена в плоскости, проходящей через оси окон жаровой трубы, и развернута в месте сопряжения с окнами на угол a > arcsin (B/D), где B - ширина окна в замеряемом сечении, D - диаметр жаровой трубы.

Примером такого известного решения является импульсный разделенный выпускной коллектор по авторскому свидетельству СССР 479878 [2], взятому в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

В таком известном выпускном коллекторе жаровая труба разделена продольной перегородкой на отдельные каналы и заключена в охлаждаемую рубашку, в которой выполнены полости для прохода охлаждающей жидкости. Продольная перегородка расположена в плоскости, проходящей через оси входных окон, и в месте сопряжения с последними развернута в ту или другую сторону. Разворот перегородки зависит от того, с каким продольным каналом необходимо соединить данный цилиндр, а угол разворота определяется по зависимости, приведенной выше.

Варьируя направлением разворота продольной перегородки, можно, не изменяя остальных деталей выпускного коллектора, получить различные сочетания цилиндров по выпуску. Перегородки, таким образом, будут отличаться друг от друга лишь количеством винтообразных поворотов. Для четырехцилиндрового двигателя, например, с порядком работы 1-2-4-3 необходимо иметь три поворота, а для порядка работы 1-3-4-2 необходимо иметь два поворота.

Для повышения надежности работы продольной перегородки и уменьшения трудностей при ее приварке к жаровой трубе последняя может быть образована из двух труб полуцилиндрической формы [3], сопряженных по диаметральным стенкам, образующим продольную перегородку между каналами. Эта перегородка также имеет пространственную винтообразную форму и может быть выполнена с помощью продольно-винтовой прокатки.

Недостатки такого известного выпускного коллектора заключаются как раз в наличии этих винтообразных поворотов в продольной перегородке, размещающихся в промежутках между выпускными окнами цилиндров двигателя с газотурбинным наддувом. Указанный промежуток в сопоставлении с диаметром жаровой трубы невелик, и угол закрутки винтообразной поверхности на этой малой длине между двумя соседними выпускными окнами таков, что приводит к резкому повороту газового потока вокруг продольной оси его движения, что увеличивает гидравлические необратимые потери в нем.

Эти потери еще более вырастают, если двигатель имеет два выпускных клапана, следовательно, и два выпускных окна, вследствие чего длина винтообразного поворота еще более сокращается и, следовательно, крутизна поворота газового потока между двумя соседними цилиндрами еще больше увеличивается.

Выполнение каналов из двух труб полуцилиндрической формы с винтообразными диаметральными стенками требует специального станочного оборудования, остается технологически и конструктивно сложным и также является недостатком рассматриваемого решения.

Наконец, еще одним недостатком рассматриваемого известного решения является наличие присоединенных паразитных объемов в жаровой трубе, в районе тупикового конца выпускного импульсного коллектора. В самом деле, продольная перегородка, делящая коллектор на две половины, в районе цилиндра, ближайшего к тупиковому концу коллектора, образует паразитный объем, присоединенный к соседнему по отношению к тупиковому цилиндру двигателя. Газовый поток по этому паразитному объему не движется. Экспериментальные исследования показывают, что наличие такого паразитного объема на тупиковой стороне коллектора неблагоприятно влияет на развитие колебательных процессов в импульсном коллекторе, что снижает эффективность работы того импульсного трубопровода, к которому этот паразитный объем присоединен.

Задача, таким образом, состоит в том, чтобы уменьшить потери в винтообразной продольной перегородке выпускного коллектора, а в предельном случае свести их к нулю, устранить паразитные объемы в коллекторе, снижающие эффективность его работы, а также упростить конструкцию и технологию изготовления.

Поставленная задача решается тем, что в выпускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания с импульсным газотурбинным наддувом, содержащем охлаждаемую рубашку, в которой размещена жаровая труба с окнами для выпускных газов, разделенная на отдельные каналы продольной перегородкой, которая, согласно изобретению, выполнена плоской и установлена симметрично относительно каналов отвода газов от окон в головке блока к окнам, выполненным в жаровой трубе, и на оси, проходящей через окна отвода газов от головки блока.

Жаровая труба может быть выполнена в виде двух полуцилиндрических труб с общей диаметральной плоской стенкой, сдвинутых относительно друг друга на расстояние между осями двух соседних цилиндров двигателя.

Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения достаточна и необходима для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата - поставленной задачи.

Для пояснения сущности предлагаемого изобретения ниже приводится пример его исполнения со ссылкой на чертежи, где - на фиг. 1 изображен поперечный разрез выпускного коллектора; - на фиг. 2 изображен общий вид выпускного коллектора с жаровой трубой из двух полуцилиндрических труб.

Из фиг. 1 следует, что предлагаемый выпускной коллектор состоит из охлаждаемой рубашки 1, в котором размещена жаровая труба 2, имеющая плоскую продольную перегородку 3, расположенную в плоскости, симметричной относительно каналов 4, соединяющих окна 5 для выпускных газов, отводимых от головки блока 6, с окнами 7 жаровой трубы 3. Одновременно, перегородка 3 расположена по оси окон 5 для отвода газов от головки 6.

Из фиг. 1 видно, что соответственно принятому порядку работы цилиндров каналы 4, соединяющие окна 5 и 7, симметрично отклонены в одну или другую стороны так, что при этом организуется подвод газов от цилиндров двигателя к каналам в жаровой трубе 2 без необходимости прибегать к винтообразной перегородке, поскольку в предлагаемом изобретении отклоняется не стенка перегородки по винтообразной кривой, а каналы 4 подвода газа к окнам жаровой трубы 2, выполненные в охлаждаемой рубашке 1.

На фиг. 2 показана возможность выполнения жаровой трубы в виде двух полуцилиндрических труб 8 и 9 разной длины, с общей диаметральной плоской стенкой, сдвинутых относительно друг друга на расстояние, равное расстоянию между осями двух соседних цилиндров двигателя. При этом, как видно из фиг. 2, паразитный объем у тупикового конца выпускного коллектора ликвидирован.

Таким образом, предлагаемое решение конструкции выпускного коллектора импульсного типа позволяет: - компактно разместить в нем два импульсных разделенных трубопровода, сохраняя неизменным внешнюю конфигурацию и строительные объемы традиционного выпускного коллектора изобарного типа; - обеспечить требуемое разделение импульсов и равномерность их чередования, как и в импульсном выпускном коллекторе традиционного разделенного типа; - выполнить продольную перегородку плоской формы вместо винтообразной, что сводит местные гидравлические потери у диаметральной стенки практически к нулю; - упростить конструкцию и технологию изготовления в случае применения двух полуцилиндрических труб, вследствие замены винтообразной диаметральной стенки на плоскую, а также ликвидировать паразитный объем у тупикового конца коллектора.

В целом, предлагаемое изобретение позволяет объединить компактность и простоту конструкторских и технологических решений неразделенного выпускного коллектора постоянного давления с эффективностью работы импульсного разделенного выпускного коллектора.

Новым существенным признаком предлагаемого решения, отличающимся от других решений той же задачи, является применение в импульсном выпускном коллекторе плоской перегородки в сочетании с симметрично отклоняющимися относительно этой перегородки каналами подвода газа к жаровой трубе, а также сдвижка на межцилиндровое расстояние одной трубы относительно другой в случае применения двух полуцилиндрических труб с диаметральной плоской перегородкой.

Использование предлагаемого выпускного коллектора в составе двигателей внутреннего сгорания даст значительный полезный эффект.

Источники информации 1. А. Э. Симсон, В.Н. Каминский и др. "Турбонаддув высокооборотных дизелей", М., "Машиностроение", 1976 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 479878, кл. F 01 N 5/04 - прототип.

3. Авторское свидетельство СССР N 584085, кл. F 01 N 5/04, 1976 г.

Формула изобретения

1. Выпускной коллектор двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, например импульсным, содержащий охлаждаемую рубашку, в которой размещена жаровая труба с окнами для выпускных газов, разделенная продольной перегородкой на отдельные каналы, отличающийся тем, что продольная перегородка выполнена плоской и установлена по оси окон головки блока для подвода газа к жаровой трубе и по оси симметрии относительно каналов подвода газа к жаровой трубе.

2. Выпускной коллектор по п.1, отличающийся тем, что жаровая труба выполнена в виде двух полуцилиндрических труб разной длины с общей диаметральной плоской стенкой, сдвинутых одна относительно другой на расстояние между осями двух соседних цилиндров двигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2