Система наддува впускного тракта двигателя внутреннего сгорания с использованием энергии отработавших газов

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям с турбонаддувом. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что в выпускном тракте двигателя размещается спиралеобразная трубка, в которую за счет работы насоса под давлением подается вода из расходного резервуара. Вода за счет соприкосновения спиралеобразной трубки с раскаленными выхлопными газами нагревается и превращается в перегретый пар высокого давления. Конец трубки оборудуется соплом и выводится в рабочую полость турбинного колеса для того, чтобы пар высокого давления, вырываясь из сопла, попадал на лопасти турбинного колеса. 1 ил.

 

Область техники: Изобретение относится к сфере двигателестроения, а именно к области систем принудительной подачи воздуха во впускной коллектор двигателя под повышенным давлением.

Уровень техники: В настоящее время для повышения мощности двигателей внутреннего сгорания применяются системы принудительного нагнетания воздуха под давлением во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с целью увеличить плотность и количество воздуха и паров топлива, которые затем горят и расширяются в камерах сгорания. Таким образом, достигается заметное увеличение мощности двигателей в пределах 10-15%, в некоторых случаях даже больше.

Системы принудительного нагнетания воздуха (наддува) во впускной коллектор делятся на две группы:

- системы с принудительным механическим наддувом;

- системы с турбонаддувом.

Системы принудительного механического наддува воздуха действуют на основе работы компрессора или воздуходувки, которые принудительно приводятся в действие от главного вала двигателя. Такие системы появились еще в конце 19-го века. Системы турбонаддува используют для привода вентилятора-нагнетателя энергию движения выхлопных газов в выпускном тракте двигателя, которые раскручивают колесо специальной турбины. Принцип турбонаддува был запатентован Альфредом Бюхи в 1911 году (патент №1006907) в США. (Смотри: «Турбодвигатели и компрессоры». Справочное пособие. Москва 2003 г.)

Недостатком систем механического нагнетания воздуха является их привод от главного вала двигателя, что требует постоянных затрат энергии от двигателя и ведет к увеличению общего расхода топлива.

Недостатком систем турбонаддува является их большая инерционность и практически полная неэффективность на малых оборотах работы двигателя, когда общий поток выхлопных газов из цилиндров значительно уменьшается. К недостаткам систем турбонаддува также относится малый ресурс работы приводной турбины, так как она работает в условиях очень высокой температуры, прокачивая сквозь себя выхлопные газы с температурой в 700-800 градусов C°.

Ближайшим аналогом заявляемого автором изобретения СИСТЕМА НАДДУВА ВПУСКНОГО ТРАКТА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ является изобретение US 20120060493.

Причинами, препятствующими в рассматриваемом аналоге достижению высокого технического результата, являются следующие недостатки данного устройства системы турбонаддува:

- высокая сложность как самого предлагаемого в изобретении двигателя, так и системы его турбонаддува. В этой системе предполагается использовать два раздельных колеса приводной турбины - каждое в своем корпусе, что ведет к конструктивной сложности и громоздкости всей установки;

- малый ресурс данной турбинной системы, так как колесо турбины, работающей на энергии потока выхлопных газов, будет пропускать через себя поток очень горячих газов;

- малая мощность парового турбинного колеса, так как пар в него предполагается подавать уже отработавшим в цикле расширения поршневой машины, следовательно, энергия такого пара будет уже незначительной.

Сущность изобретения: Задачей изобретения, которое реализовано в этой конструкции, является создание мощной и высокоэкономичной системы наддува впускного тракта ДВС за счет возможности максимально глубоко и эффективно использовать энергию отработавших газов.

Поставленная задача изобретения решается через конструктивные особенности предлагаемого изобретения: СИСТЕМА НАДДУВА ВПУСКНОГО ТРАКТА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ.

В выпускном тракте двигателя размещается спиральный трубопровод-теплообменник, в который за счет работы специального насоса под давлением подается парообразующая жидкость (например, вода) из расходного резервуара. Вода за счет соприкосновения спирального трубопровода-теплообменника с раскаленными выхлопными газами будет быстро нагреваться и превращаться в перегретый пар высокого давления. Конец такого трубопровода будет оборудоваться специальным соплом и выводиться в рабочую полость лопаточной проточной машины - турбинного колеса для того, чтобы плотная струя пара высокого давления, вырываясь из сопла, попадала на лопасти турбинного колеса и крутила его, передавая на вал турбины энергию своего движения.

Такое техническое и конструктивное решение позволяет начать использовать на колесе лопаточной машины (турбины) принудительного нагнетания воздуха не только кинетическую энергию движения выхлопных газов в выпускном тракте, но и тепловую энергию, которая в большом количестве содержится в этих газах.

Техническим результатом применения таких инженерных решений является создание простой и мощной системы принудительного нагнетания воздуха во впускную систему ДВС с использованием энергии отработавших газов, которая будет значительно эффективнее существующих сегодня систем турбонаддува. Также подобная система не будет иметь неотъемлемым свойством своей работы так называемую «турбояму», т.е. резкое падение производительности системы наддува при малых оборотах двигателя, что особенно характерно для движения автомобиля в городском цикле. Ибо предлагаемая как изобретение система на 2/3 будет работать на энергии струи перегретого пара, получаемого от тепла выхлопных газов, а парогенерирующие свойства предлагаемой системы не будут в столь значительной мере зависеть от скорости движения и давления выхлопных газов в выпускном коллекторе, а будут зависеть лишь от температуры таких газов. А температура выхлопных газов на оборотах холостого хода изменяется в очень малом диапазоне. К тому же парогенерирующая система обладает заметной инерционностью, и поэтому она не будет так резко терять свою производительность даже при очень низких оборотах двигателя.

Еще одним результатом применения предлагаемой системы должно стать заметное увеличение срока службы лопаточной машины (турбины), ибо в рабочем пространстве турбинного колеса раскаленные выхлопные газы будут смешиваться с паром значительно меньшей температуры из сопла спирального трубопровода - теплообменника, при этом общая температура парогазовой смеси будет заметно снижаться. Следовательно, общая температура парогазовой смеси, которая будет рабочим телом для турбинного колеса, окажется заметно меньше, чем в нынешних системах турбонаддува, которые работают исключительно на раскаленных выхлопных газах. Результатом работы на парогазовой смеси значительно сниженной температуры окажется увеличение срока службы всей системы принудительного наддува.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Реализация назначения заявленной как изобретение системы принудительного наддува возможна к осуществлению через новаторские особенности данной конструкции.

На прилагаемом к данному разделу патентной заявки чертеже представлена конструкция системы наддува впускного тракта ДВС с использованием энергии отработавших газов. От выпускного клапана двигателя отходит газовод выпускного тракта (элемент 1). Внутри выпускного тракта расположен трубопровод-теплообменник (элемент 2), в который закачивается насосом высокого давления парообразующая жидкость (например, вода) (элемент 3) из резервуара (элемент 4). Противоположный от насоса для подачи воды конец трубопровода-теплообменника заканчивается соплом (элемент 5). Струя пара высокого давления из сопла давит на лопатки рабочего турбинного колеса (ротора лопаточной машины) (элемент 6) и приводит его во вращение вместе с выхлопными газами, идущими по выпускному тракту.

В такой конструкции двигателя работа заявляемой изобретением СИСТЕМЫ НАДДУВА ВПУСКНОГО ТРАКТА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ осуществляется следующим образом: во время открытия выпускного клапана отработавшие газы высокого давления и высокой температуры вытесняются из цилиндра в газовод выпускного тракта (элемент 1). Во время движения выхлопных газов по трубе-газоводу выпускного тракта они нагревают спиральный трубопровод-теплообменник, внутри которого насосом (элемент 3) прокачивается вода. От интенсивного нагрева вода (или иная парообразующая жидкость) будет быстро испаряться, и полученный пар будет под большим давлением плотной струей выходить из сопла (элемент 5). Струя пара будет бить в лопасти рабочего турбинного колеса (ротора) и приводить его во вращение вместе с движущимися в этом же направлении горячими выхлопными газами.

Система наддува впускного тракта двигателя внутреннего сгорания с использованием энергии отработавших газов, состоящая из газовода выпускного тракта, идущего от выпускного коллектора к турбине, внутри указанного газовода выпускного тракта расположен трубопровод-теплообменник с возможностью образования в нем пара из парообразующей жидкости, например воды, отличающаяся тем, что конец трубопровода-теплообменника, противоположный концу трубопровода, куда подается парообразующая жидкость, оканчивается соплом, направленным в сторону турбины.