Компоновка контура циркуляции для охлаждения наддувочного воздуха и способ работы контура циркуляции с такой компоновкой
Изобретение относится к компоновке контура (К) циркуляции с низкотемпературным контуром (NK) циркуляции для охлаждения наддувочного воздуха (13), который подается в двигатель (8), в транспортном средстве с турбонагнетателем. При этом происходит двухступенчатое сжатие наддувочного воздуха (13) в первом турбонагнетателе (1) низкого давления и во втором турбонагнетателе (2) высокого давления. Для охлаждения наддувочного воздуха (13) после турбонагнетателя (1) низкого давления и перед турбонагнетателем (2) высокого давления предусмотрен первый радиатор (3), а после турбонагнетателя (2) высокого давления и перед двигателем (8) предусмотрен второй радиатор (4). В низкотемпературном контуре (NK) циркуляции предусмотрен также воздушный низкотемпературный радиатор (5), через который проходит низкотемпературная охлаждающая среда (14) вслед за охлаждаемым охлаждающей средой радиатором (3) для надувочного воздуха низкого давления. Использование изобретения позволит улучшить компоновку контура циркуляции. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к компоновке контура циркуляции для охлаждения наддувочного воздуха в транспортном средстве с турбонаддувом согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к способу эксплуатации контура циркуляции с такой компоновкой.
Согласно уровню техники для увеличения мощности двигателей с турбонаддувом применяют увеличение расхода воздуха в двигателе. Однако при необходимом для этого сжатии воздуха, называемого в дальнейшем наддувочным воздухом, воздух нагревается в турбонагнетателе вследствие сжатия. Для компенсации связанной с нагреванием наддувочного воздуха потери плотности воздуха, т.е. для увеличения плотности воздуха, применяют воздушные радиаторы, которые расположены в передней части модуля охлаждения и служат для охлаждения наддувочного воздуха. При этом наддувочный воздух проходит через теплообменник, через который проходит окружающий воздух, и тем самым охлаждается. За счет этого возможно охлаждение наддувочного воздуха до температуры, которая примерно на 15 К превышает температуру окружающего воздуха.
Кроме того, известно осуществление охлаждения наддувочного воздуха путем циркуляции охлаждающей среды, например низкотемпературной циркуляции, в которой охлаждающая среда охлаждается до очень низких температур. С помощью этой холодной охлаждающей среды наддувочный воздух охлаждается в радиаторе, через который проходят наддувочный воздух и охлаждающая среда, до заданной температуры охлаждения. Для осуществления низкотемпературной циркуляции имеются два варианта, а именно интеграция системы низкотемпературной циркуляции в побочную систему циркуляции охлаждения двигателя или выполнение в виде отдельной системы циркуляции.
При необходимости дальнейшего увеличения мощности двигателя известные системы наддува достигают своих пределов относительно степени наддува и времени реагирования при низкой нагрузке.
Задачей изобретения является улучшение компоновки контура циркуляции указанного в начале типа.
Поставленная задача решается тем, что, согласно изобретению, компоновка контура циркуляции с низкотемпературным контуром циркуляции для охлаждения наддувочного воздуха, который подается в двигатель, предусмотрена в транспортном средстве с турбонагнетателем, при этом происходит двухступенчатое сжатие наддувочного воздуха в первом турбонагнетателе низкого давления и во втором турбонагнетателе высокого давления, при этом для охлаждения наддувочного воздуха после турбонагнетателя низкого давления и перед турбонагнетателем высокого давления предусмотрен первый радиатор, а после турбонагнетателя высокого давления и перед двигателем - второй радиатор и, кроме этого, в низкотемпературном контуре (NK) циркуляции предусмотрен воздушный низкотемпературный радиатор, через который проходит низкотемпературная охлаждающая среда вслед за охлаждаемым охлаждающей средой радиатором для наддувочного воздуха низкого давления.
За счет промежуточного охлаждения после первого турбонагнетателя низкого давления создаются не слишком высокие температуры воздуха, за счет чего можно увеличить срок службы применяемых деталей, на которые воздействуют высокие температуры. Двухступенчатое охлаждение имеет предпочтительные динамические характеристики. Поскольку промежуточное охлаждение при частичной нагрузке едва воспринимает тепловые нагрузки, то содержащаяся в системе низкотемпературной циркуляции охлаждающая среда охлаждается до низкого уровня температуры слегка выше окружающей температуры. За счет этого обеспечивается значительный резерв охлаждающей мощности, который можно использовать при переходе на большую нагрузку двигателя.
Потребность в компоновочном пространстве по сравнению с известными решениями является относительно небольшой, поскольку, несмотря на промежуточное охлаждение, модуль охлаждения имеет лишь одну подводящую трубу и одну отводящую трубу, и необходимо разместить лишь один охлаждаемый охлаждающей средой радиатор наддувочного воздуха вблизи двигателя.
Для первого охлаждения наддувочного воздуха предпочтительно предусмотрен охлаждаемый охлаждающей средой радиатор для наддувочного воздуха низкого давления, а для второго охлаждения - охлаждаемый воздухом радиатор для наддувочного воздуха высокого давления. При этом, в частности, за счет промежуточного охлаждения исключаются проблемы со сроком службы охлаждаемого воздухом радиатора для наддувочного воздуха высокого давления.
Компоновочное пространство можно оптимально использовать за счет того, что охлаждаемый воздухом радиатор для наддувочного воздуха высокого давления расположен непосредственно рядом с низкотемпературным радиатором и в направлении потока охлаждающего воздуха перед главным радиатором охлаждающей среды. При этом торцевая поверхность низкотемпературного радиатора занимает предпочтительно от 20% до 50% общей торцевой поверхности.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения контур низкотемпературной циркуляции является независимым от контура циркуляции охлаждения двигателя и имеет собственный насос для подачи охлаждающей среды.
При этом насос в контуре низкотемпературной циркуляции расположен между низкотемпературным радиатором и охлаждаемым охлаждающей средой радиатором для наддувочного воздуха низкого давления или между охлаждаемым охлаждающей средой радиатором для наддувочного воздуха низкого давления и низкотемпературным радиатором.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения контур низкотемпературной циркуляции является частью контура циркуляции охлаждения двигателя, причем контур низкотемпературной циркуляции ответвляется от насоса со стороны нагнетателя контура циркуляции охлаждения двигателя и снова вводится в контур циркуляции охлаждения двигателя на выходе из двигателя.
Рекомендуется наддувочный воздух охлаждать, по меньшей мере, в двух ступенях после соответствующего сжатия.
Наддувочный воздух после промежуточного охлаждения в турбонагнетателе низкого давления имеет температуру 40°С-110°С.
Низкотемпературный контур циркуляции является частью компоновки контура циркуляции охлаждения двигателя, однако она может быть также выполнена отдельно, при этом является не обязательно необходимым регулирование для экономии средств. Также возможно промежуточное охлаждение воздухом и/или охлаждение наддувочного воздуха после второй ступени сжатия с помощью охлаждающей среды.
Ниже приводится подробное описание изобретения на основе двух примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - компоновка контура циркуляции, согласно первому примеру выполнения;
фиг.2 - компоновка контура циркуляции, согласно второму примеру выполнения;
фиг.3 - график зависимости выходной температуры второй ступени сжатия от выходной температуры промежуточного охлаждения, и
фиг.4 - график зависимости доли торцевой поверхности низкотемпературного радиатора от выходной температуры промежуточного охлаждения.
На фиг.1 показана компоновка К контура циркуляции, которая служит для охлаждения двух включенных друг за другом турбонагнетателей, а именно турбонагнетателя 1 низкого давления и турбонагнетателя 2 высокого давления. Обозначенный позицией 13 наддувочный воздух всасывается из окружающей среды и сжимается в первой ступени турбонагнетателя 1 низкого давления. При этом повышается температура наддувочного воздуха 13. Для достижения дальнейшего сжатия наддувочного воздуха без отрицательного влияния на срок службы деталей, находящихся в непосредственном или опосредованном контакте с наддувочным воздухом 13, из-за перегрева, что в случае алюминия достигается при температурах выше примерно 230°С, сжатый наддувочный воздух охлаждается в охлаждаемом охлаждающей средой радиаторе 3 для наддувочного воздуха низкого давления, который является элементом низкотемпературного контура NK циркуляции. Подробное описание низкотемпературного контура NK циркуляции будет приведено ниже.
После охлаждения в охлаждаемом охлаждающей средой радиаторе 3 для наддувочного воздуха низкого давления наддувочный воздух 13 попадает в турбонагнетатель 2 высокого давления, в котором он далее сжимается до своего конечного давления, что, в свою очередь, связано с нагревом наддувочного воздуха. Для повышения плотности наддувочного воздуха в двигателе 8 (внутреннего сгорания) горячий наддувочный воздух 13 охлаждается в охлаждаемом воздухом радиаторе 4 для наддувочного воздуха перед подачей в двигатель 8. За счет промежуточного охлаждения обеспечивается то, что максимальные температуры наддувочного воздуха после последней ступени турбонагнетания остаются на предельном уровне, который позволяет использовать охлаждаемые воздухом радиаторы наддувочного воздуха (см. фиг.3). Это является предпочтительным в отношении стоимости и имеющегося установочного пространства.
Охлаждаемый охлаждающей средой радиатор 3 для наддувочного воздуха низкого давления для промежуточного охлаждения расположен вблизи двигателя и снабжен отдельным контуром NK низкотемпературной циркуляции. При этом в низкотемпературном контуре NK циркуляции предусмотрен воздушный радиатор, в последующем называемый низкотемпературный радиатор 5, через который проходит низкотемпературная охлаждающая среда 14 вслед за охлаждаемым охлаждающей средой радиатором 3 для наддувочного воздуха низкого давления.
Низкотемпературный радиатор 5, как показано на фиг.1, расположен непосредственно рядом вслед за охлаждаемым воздухом радиатором 4 для наддувочного воздуха высокого давления, которые оба в направлении потока охлаждающего воздуха 15 расположены перед главным радиатором 6 охлаждающей среды. При этом воздух засасывается вентилятором 7, который расположен позади главного радиатора 6 охлаждающей среды. Размеры низкотемпературного радиатора 5 выбраны так, что его торцевая поверхность составляет 20-50% максимально возможной торцевой поверхности в модуле охлаждения (см. фиг.4). В качестве альтернативного решения низкотемпературный радиатор 5 может быть также расположен в потоке воздуха перед охлаждаемым воздухом радиатором 4 для наддувочного воздуха высокого давления.
При этом радиаторы расположены так, что радиаторы, которые находятся на низком среднем уровне температуры, расположены в потоке холодного охлаждающего воздуха, а радиаторы, которые находятся на высоком уровне температуры, расположены в теплом потоке охлаждающего воздуха.
Низкотемпературная охлаждающая среда 14 проходит далее в насос 10, который обеспечивает циркуляцию охлаждающей среды 14, и оттуда снова в охлаждаемый охлаждающей средой радиатор 3 для наддувочного воздуха низкого давления.
Согласно данному примеру выполнения низкотемпературный контур NK циркуляции охлаждающей среды не регулируется, и его можно так устанавливать, что достигается возможно лучшее охлаждение наддувочного воздуха, но без появления проблем с кипением охлаждающей среды 14. Низкотемпературный контур NK охлаждающей среды циркуляции содержит относительно немного охлаждающей среды 14. Проблемы с кипением можно легко исключить, поскольку на выходе первой ступени сжатия не возникают слишком высокие температуры наддувочного воздуха.
Двигатель 8 охлаждается контуром МК циркуляции охлаждения двигателя, в котором проходит поток охлаждающей среды 12 двигателя. Для этого охлажденная в главном радиаторе 6 охлаждающая среда 12 подается насосом 9 в двигатель 8. Регулирование мощности охлаждения происходит известным образом с помощью байпасного термостата 11.
На фиг.2 показан контур К циркуляции, согласно второму примеру выполнения, который, по существу, совпадает с первым примером выполнения, за исключением указанного ниже. При этом применяются одинаковые позиции.
В отличие от первого примера выполнения во втором примере выполнения не предусмотрен низкотемпературный контур NK циркуляции. Вместо этого охлаждающая среда 14 отводится от контура МК циркуляции охлаждения со стороны нагнетания насоса 9 и подается в низкотемпературный радиатор 5. В низкотемпературном радиаторе 5 охлаждающая среда 13 сильно охлаждается и затем проходит в охлаждаемый охлаждающей средой радиатор 3 для наддувочного воздуха низкого давления, где она служит для промежуточного охлаждения наддувочного воздуха 13. Затем охлаждающая среда 14 на выходе из двигателя снова подмешивается в поток охлаждающей среды контура МК циркуляции охлаждения двигателя.
Перечень позиций
1 Турбонагнетатель низкого давления
2 Турбонагнетатель высокого давления
3 Радиатор, охлаждаемый охлаждающей средой, для наддувочного воздуха низкого давления
4 Радиатор, охлаждаемый воздухом, для наддувочного воздуха высокого давления
5 Низкотемпературный радиатор
6 Главный радиатор для охлаждающей среды
7 Вентилятор
8 Двигатель
9 Насос
10 Насос
11 Термостат
12 Охлаждающая среда
13 Наддувочный воздух
14 Низкотемпературная охлаждающая среда
15 Охлаждающий воздух
К Контур циркуляции
МК Контур циркуляции охлаждения двигателя
NK Низкотемпературный контур циркуляции
1. Контур циркуляции с низкотемпературным контуром (NK) циркуляции для охлаждения наддувочного воздуха (13), который подается в двигатель (8), предусмотрен в транспортном средстве с турбонагнетателем, отличающийся тем, что происходит двухступенчатое сжатие наддувочного воздуха (13) в первом турбонагнетателе (1) низкого давления и во втором турбонагнетателе (2) высокого давления, при этом для охлаждения наддувочного воздуха (13) после турбонагнетателя (1) низкого давления и перед турбонагнетателем (2) высокого давления предусмотрен первый радиатор (3), а после турбонагнетателя (2) высокого давления и перед двигателем (8) предусмотрен второй радиатор (4), и тем, что в низкотемпературном контуре (NK) циркуляции предусмотрен воздушный низкотемпературный радиатор (5), через который проходит низкотемпературная охлаждающая среда (14) вслед за охлаждаемым охлаждающей средой радиатором (3) для надувочного воздуха низкого давления.
2. Контур циркуляции по п.1, отличающийся тем, что для первого охлаждения наддувочного воздуха (13) предусмотрен охлаждаемый охлаждающей средой радиатор (3) для наддувочного воздуха низкого давления.
3. Контур циркуляции по п.1, отличающийся тем, что для второго охлаждения наддувочного воздуха (13) предусмотрен охлаждаемый воздухом радиатор (4) для наддувочного воздуха высокого давления.
4. Контур циркуляции по п.3, отличающийся тем, что охлаждаемый воздухом радиатор (4) для наддувочного воздуха высокого давления расположен рядом с низкотемпературным радиатором (5) и в направлении потока охлаждающего воздуха (15) перед главным радиатором (6) для охлаждающего средства.
5. Контур циркуляции по п.4, отличающийся тем, что торцевая поверхность низкотемпературного радиатора (5) занимает от 20 до 50% общей торцевой поверхности.
6. Контур циркуляции по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что контур (NK) низкотемпературной циркуляции является независимым от контура (МК) циркуляции охлаждения двигателя и имеет собственный насос (10) для подачи охлаждающей среды (14).
7. Контур циркуляции по п.6, отличающийся тем, что насос (10) расположен в контуре (NK) низкотемпературной циркуляции между низкотемпературным радиатором (5) и охлаждаемым охлаждающей средой радиатором (3) для наддувочного воздуха низкого давления или между охлаждаемым охлаждающей средой радиатором (3) для наддувочного воздуха низкого давления и низкотемпературным радиатором (5).
8. Контур циркуляции по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что контур (NK) низкотемпературной циркуляции является частью контура (МК) циркуляции охлаждения двигателя.
9. Контур циркуляции по п.8, отличающийся тем, что контур (NK) низкотемпературной циркуляции ответвляется от насоса со стороны нагнетателя (9) контура (МК) циркуляции охлаждения двигателя и снова вводится в контур (МК) циркуляции охлаждения двигателя на выходе из двигателя.
10. Способ эксплуатации контура (К) циркуляции по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что наддувочный воздух (13) охлаждают, по меньшей мере, в двух ступенях после соответствующего сжатия.
11. Способ эксплуатации по п.10, отличающийся тем, что наддувочный воздух (13) после промежуточного охлаждения в турбонагнетателе (1) низкого давления имеет температуру 40-110°С.
