Силовая установка с байпасом турбины и способ ее эксплуатации

Авторы патента:


Силовая установка с байпасом турбины и способ ее эксплуатации
Силовая установка с байпасом турбины и способ ее эксплуатации

 


Владельцы патента RU 2573075:

МАК ТРАКС, ИНК. (US)

Изобретение относится к энергетике. Силовая установка содержит двигатель, имеющий выхлопную линию, турбину на выхлопную линию, обходную линию, соединенную с выхлопной линией до турбины и имеющую управляемый перепускной клапан, и контроллер, служащий для управления открыванием перепускного клапана с целью обхода турбины. Двигатель работает таким образом, что мощность передается от коленчатого вала на вал турбины, и/или по меньшей мере одно из следующего: нагрузка на двигатель, частота вращения двигателя и давление в выхлопной линии находится ниже заданных уровней. Изобретение позволяет повысить эффективность работы силовой установки. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится в целом к силовым установкам, более точно к силовым установкам, содержащим двигатели внутреннего сгорания с силовыми турбинами.

Уровень техники

Иногда в процессе работы механической турбокомпаундной системы на основе двигателя внутреннего сгорания происходит реверсирование мощности. Иными словами, мощность, отбираемая от двигателя, фактически переносится на вал турбокомпаундной силовой (тяговой) турбины. Во время нормальной работы системы энергия выхлопных газов используется для приведения в действие силовой турбины. Стандартный поток энергии поступает от выходного вала силовой турбины на коленчатый вал двигателя. Реверсирование мощности происходит при более низкой частоте вращения двигателя и в условиях более низкой нагрузки, когда поток выхлопных газов становится слишком слабым для приведения в действие турбокомпаундной турбины на уровне мощности, превышающем уровень, необходимый для подачи мощности на коленчатый вал. В эти периоды реверсирования мощность фактически поступает из двигателя в силовую турбину турбокомпаундной установки. Реверсированиие мощности приводит к повышению противодавления на выходе турбины турбонагнетателя, в результате чего увеличивается расход топлива двигателем.

Раскрытие изобретения

Согласно одной из особенностей настоящего изобретения предложена силовая установка, содержащая:

двигатель, имеющий коленчатый вал и выхлопную линию;

силовую турбину на выхлопной линии, имеющую вал, связанный с коленчатым валом;

обходную линию, соединенную с выхлопной линией до (по потоку) турбины и имеющую управляемый перепускной клапан; и

контроллер, выполненный с возможностью управления открыванием перепускного клапана для обхода силовой турбины, когда двигатель работает с передачей мощности от двигателя силовой турбине и по меньшей мере одно из нагрузки на двигатель, частоты вращения двигателя и давления в выхлопной линии находится ниже заданных уровней (т.е. по меньшей мере один из перечисленных параметров находится ниже заданного для него уровня).

Согласно другой особенности настоящего изобретения предложена силовая установка, содержащая:

двигатель, имеющий коленчатый вал и выхлопную линию;

силовую турбину на выхлопной линии, вал которой связан с коленчатым валом двигателя и обеспечивает передачу мощности между валом турбины и коленчатым валом;

обходную линию, соединенную с выхлопной линией по потоку до силовой турбины и имеющую управляемый перепускной клапан; и

контроллер, выполненный с возможностью управления открыванием перепускного клапана для обхода силовой турбины, когда двигатель работает так, что мощность передается от двигателя силовой турбине и от коленчатого вала на вал турбины, причем вал силовой турбины остается связанным с коленчатым валом, когда перепускной клапан открыт, и перепускной клапан выполнен управляемым для перемещения между полностью открытым положением и полностью закрытым положением.

Также предлагается транспортное средство, содержащее описанные силовые установки.

Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предложен способ эксплуатации силовой установки, включающий:

выпуск газа из двигателя в выхлопную линию; и

управление перепускным клапаном на открытие обходной линии для обхода силовой турбины на выхлопной линии, когда работа двигателя осуществляется, так что по меньшей мере одно из нагрузки на двигатель, частоты вращения двигателя и давления в выхлопной линии находится ниже заданных уровней, и с передачей мощности от двигателя и так, что мощность передается от коленчатого вала двигателя на вал силовой турбины, связанный с коленчатым валом двигателя, при этом силовая турбина остается связанной с коленчатым валом двигателя, когда перепускной клапан открыт.

Краткое описание чертежей

Признаки и преимущества настоящего изобретения станут ясны из следующего далее подробного описания в сочетании с чертежами, на которых одинаковыми позициями обозначены сходные элементы и на которых:

на фиг. 1 схематически показана силовая установка согласно одной из особенностей настоящего изобретения, и

на фиг. 2 - диаграмма зависимости крутящего момента от частоты вращения двигателя внутреннего сгорания турбокомпаундной силовой установки согласно одной из особенностей настоящего изобретения и условия, при которых двигатель работает в обход силовой турбины.

Подробное описание осуществления изобретения

На фиг. 1 схематически показана силовая установка 21 согласно одной из особенностей настоящего изобретения. Силовая установка 21 может применяться в транспортном средстве 23 (схематически показанном как фантомное изображение), таком как грузовой автомобиль, судно, автобус или другое транспортное средство или в стационарной установке. Силовая установка 21 содержит двигатель 25, имеющий выхлопную линию 27. Двигателем 25 является двигатель внутреннего сгорания, такой как дизельный двигатель, хотя двигателем может являться двигатель с искровым зажиганием. На выхлопной линии после двигателя 25 находится турбина 29.

Турбиной 29 обычно является силовая турбина турбокомпаундной системы, которая содержит компрессор 31 до двигателя и связана с турбиной 33 турбонагнетателя после двигателя и до силовой турбины. Вал 35 силовой турбины 29 любыми применимыми средствами, такими как зубчатая передача или шкивы 36 вспомогательного устройства, связан с коленчатым валом 37 двигателя 25 и обеспечивает передачу мощности между валом турбины и коленчатым валом. При достаточно высоком давлении в выхлопной линии 27 силовая турбина 29 передает мощность коленчатому валу 37. Когда давление в выхлопной линии 27 падает ниже определенного уровня, например, при работе двигателя с низкой частотой вращения и при низкой нагрузке, мощность двигателя 25 переносится на вал 35 силовой турбины 29. Хотя условия работы, в которых мощность двигателя переносится на вал турбины, различаются в зависимости от типа двигателя, в случае шестицилиндрового дизельного двигателя для работы в тяжелых условиях с диаметром цилиндров от 100 до 160 мм этот момент наступает, когда условия работы двигателя таковы, что среднее эффективное тормозное давление (ВМЕР) двигателя 25 составляет 0,5 МПа или менее, и/или крутящий момент двигателя составляет менее 750 Н м, и/или частота вращения двигателя составляет около 1400 об/мин или менее.

Обходная линия 39 соединена с выхлопной линией 27 до турбины 29 и имеет управляемый перепускной клапан 45. Для управления открыванием перепускного клапана 45 с целью обхода турбины 29, когда условия работы двигателя 21 таковы, что мощность предположительно будет передаваться на вал 35 турбины, предусмотрен контроллер 43. Например, контроллер 43 может управлять перепускным клапаном 45 и открывать его, если определено, что по меньшей мере одно из следующего: нагрузка на двигатель, частота вращения двигателя и давление в выхлопной линии находится ниже заданных уровней, хотя следует учесть, что клапан 45 может открываться по другим причинам. На фиг. 2 показана диаграмма, иллюстрирующая условия, в которых может открываться обходная линия (также именуемая перепускной заслонкой) шестицилиндрового дизельного двигателя для работы в тяжелых условиях с диаметром цилиндров от 100 до 160 мм.

Перепускным клапаном 45 может являться простой двухпозиционный клапан, но обычно целесообразно использовать управляемый клапан, способный перемещаться в различные положения между полностью открытым положением и полностью закрытым положением. Например, в определенных условиях эксплуатации, различающихся в зависимости от системы, перепускной клапан 45 может частично открываться с целью снижения противодавления, которое может возникать на валу 35 турбины при отборе мощности от коленчатого вала 37, в результате чего турбина 29 подает мощность на коленчатый вал 37 с использованием не всего потока выхлопных газов, который проходит через турбину. Управляемый клапан 41 может размещаться до турбины между обходной линией и турбиной, чтобы обеспечивать протекание потока через обходную линию 39, а не через турбину 29.

Согласно одной из особенностей способа эксплуатации силовой установки 21 газ согласно настоящему изобретению выбрасывается из двигателя 25 в выхлопную линию 27. Когда двигатель 25 работает таким образом, что, например, мощность передается от коленчатого вала 37 на вал 35 турбины, и/или по меньшей мере одно из следующего: нагрузка на двигатель, частота вращения двигателя и давление в выхлопной линии находится ниже заданных уровней, управляемый перепускной клапан 45 может полностью или частично открываться и тем самым открывать обходную линию 39 с целью полного или частичного обхода турбины 29 на выхлопной линии. Одновременно может регулироваться расположенный до турбины 29 клапан 41, чтобы облегчить обеспечение прохождения потока через обходную линию 39. Следует учесть, что перечисленные обстоятельства, способные приводить к открыванию или закрыванию клапанов 41 и 45, являются иллюстративными, а не ограничивающими изобретение.

Согласно одной из дополнительных особенностей настоящего изобретения контроллером 43 в целом является запрограммированное на компьютере устройство, позволяющее силовой установке выполнять описанный выше способ. Может использоваться постоянный машиночитаемый носитель, такой как диск, содержащий машинный код для выполнения способа.

Предполагается, что силовая установка, способ и другие особенности настоящего изобретения выгодно отличаются от известных средств для предотвращения приведения в действие одной механической системой другой системы, таких как обгонная муфта. В случае применения обгонной муфты в дизельном двигателе для работы в тяжелых условиях или стационарном двигателе в сочетании с силовой турбиной в зубчатой передаче пришлось бы предусмотреть физический разрыв или холостое колесо. Пришлось бы существенно увеличить сложность и число деталей, необходимых для размещения обгонной муфты, тогда как обходная линия и клапан отличаются сравнительной простотой. Отличием обгонной муфты от обходной линии и клапана также, вероятно, является существенно большие стоимость и вес. Кроме того, система и способ согласно настоящему изобретению способны обеспечивать обход силовой турбины в условиях высокой частоты вращения и низкой нагрузки во избежание сопротивления системе со стороны силовой турбины и сцепление с силовой турбиной в условиях низкой частоты вращения и высокой нагрузки с целью выгодного использования доступной энергии выхлопа. В отличие от этого обгонная муфта обычно не рассчитана на того, чтобы реагировать на крутящий момент. Обгонная муфта просто расцепляется, когда частота вращения ведомого вала является меньшей, чем частота вращения ведущего вала.

Кроме того, расчетный срок службы обгонной муфты создавал бы сложности, которые не предполагаются в случае обходной линии и клапана.

К тому же, предполагается, что отказ перепускной заслонки в полностью открытом, полностью закрытом или каком-либо промежуточном положении не нанесет ущерба двигателю или турбине, тогда как отказ физического зубчатого зацепления, относящегося к обгонной муфте, мог бы вызывать повреждение зубчатой передачи или масляной системы двигателя.

Наконец, перепускной клапан и линия согласно настоящему изобретению должны лишь разгружать (полностью или частично) турбину. Вал турбины может продолжать вращаться вместе с коленчатым валом.

Открытие перепускного клапана и линии влияет только на крутящий момент. В отличие от этого обгонная муфта влияет как на частоту вращения, так и крутящий момент, т.е. вал турбины не продолжает вращаться вместе с коленчатым валом.

Такие термины, как "имеющий", используются в настоящей заявке в таком же открытом значении, как и такие термины, как "содержащий" и не исключают присутствия другой конструкции, материала или действий. Аналогичным образом, предполагается, что такие термины, как "может" используются в открытом значении, отражающем, что конструкция, материал или действия не являются обязательными, а отсутствие таких терминов не означает, что конструкция, материал или действия являются обязательными. Когда конструкция, материал или действия считаются обязательными, это соответствующим образом указано.

Хотя настоящее изобретение проиллюстрировано и описано на примере одного из предпочтительных вариантов осуществления, в него могут быть внесены изменения и модификации, не выходящие за пределы его объема, ограниченного формулой изобретения.

1. Силовая установка, содержащая:
двигатель, имеющий коленчатый вал и выхлопную линию;
силовую турбину на выхлопной линии, имеющую вал, связанный с коленчатым валом;
обходную линию, соединенную с выхлопной линией по потоку до турбины и имеющую управляемый перепускной клапан; и
контроллер, выполненный с возможностью управления открыванием перепускного клапана для обхода силовой турбины, когда двигатель работает с передачей мощности от двигателя силовой турбине и по меньшей мере одно из нагрузки на двигатель, частоты вращения двигателя и давления в выхлопной линии находится ниже заданных уровней.

2. Силовая установка по п. 1, в которой перепускной клапан представляет собой двухпозиционный клапан.

3. Силовая установка по п. 1, в которой перепускной клапан выполнен управляемым для перемещения между полностью открытым положением и полностью закрытым положением.

4. Силовая установка по п. 1, в которой силовая турбина связана с коленчатым валом двигателя, когда перепускной клапан открыт.

5. Силовая установка по п. 1, содержащая управляемый клапан между обходной линией и турбиной.

6. Транспортное средство, содержащее силовую установку по п. 1.

7. Силовая установка, содержащая:
двигатель, имеющий коленчатый вал и выхлопную линию;
силовую турбину на выхлопной линии, вал которой связан с коленчатым валом двигателя и обеспечивает передачу мощности между валом турбины и коленчатым валом;
обходную линию, соединенную с выхлопной линией по потоку до силовой турбины и имеющую управляемый перепускной клапан; и
контроллер, выполненный с возможностью управления открыванием перепускного клапана для обхода силовой турбины, когда двигатель работает так, что мощность передается от двигателя силовой турбине и от коленчатого вала на вал турбины, причем вал силовой турбины остается связанным с коленчатым валом, когда перепускной клапан открыт, и перепускной клапан выполнен управляемым для перемещения между полностью открытым положением и полностью закрытым положением.

8. Силовая установка по п. 7, содержащая управляемый клапан между обходной линией и турбиной.

9. Транспортное средство, содержащее силовую установку по п. 7.

10. Способ эксплуатации силовой установки, включающий:
выпуск газа из двигателя в выхлопную линию; и
управление перепускным клапаном на открытие обходной линии для обхода силовой турбины на выхлопной линии, когда работа двигателя осуществляется, так что по меньшей мере одно из нагрузки на двигатель, частоты вращения двигателя и давления в выхлопной линии находится ниже заданных уровней, и с передачей мощности от двигателя и так, что мощность передается от коленчатого вала двигателя на вал силовой турбины, связанный с коленчатым валом двигателя, при этом силовая турбина остается связанной с коленчатым валом двигателя, когда перепускной клапан открыт.

11. Способ по п. 10, включающий управление перепускным клапаном так, чтобы он был полностью открыт или полностью закрыт.

12. Способ по п. 10, включающий управление перепускным клапаном так, чтобы он находился в одном из множеств положений, включая, но не ограничиваясь полностью открытым положением и полностью закрытым положением.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям с турбонаддувом. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя.

Изобретение относится к системе для преобразования тепловой энергии в механическую энергию в транспортном средстве. Система включает в себя контур трубопровода, насос для прокачивания вещества в контуре трубопровода по меньшей мере один испаритель, в котором обеспечивается поглощение веществом тепловой энергии от источника тепла таким образом, что оно выпаривается, турбину, выполненную с возможностью приведения в движение с помощью выпаренного вещества с целью выработки механической энергии, и конструкцию конденсатора, в которой обеспечивается выделение веществом тепловой энергии таким образом, что оно конденсируется.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для выработки электрической энергии с использованием в качестве теплоносителя нагретого воздуха. Технический результат состоит в экономии горючих материалов.

Изобретение может быть использовано в перепускных устройствах для систем утилизации отходящего тепла двигателей внутреннего сгорания. Перепускное устройство (27) системы (23) утилизации отходящего тепла содержит перепускной трубопровод с клапаном (39), датчик температуры в трубопроводе, контроллер (41) и второй клапан (47).

Изобретение может быть использовано в предпусковых и вспомогательных теплоэнергетических установках транспортных средств для одновременного производства тепла и электроэнергии.

Настоящее изобретение относится к конструкции и способу преобразования тепловой энергии в механическую энергию. Конструкция содержит линейный контур (3), средство (4) циркуляции для циркуляции хладагента в линейном контуре (3), испаритель (6), в котором хладагент предполагается испарять с помощью источника (7) тепла, турбину (9), выполненную с возможностью приведения в движение испарившимся хладагентом, конденсатор (12) и накопительный резервуар (14) для хранения хладагента, который не циркулирует в линейном контуре (3).

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Паровоздушный двигатель внутреннего сгорания содержит поршневой двигатель (1) внутреннего сгорания, барабан (2) пара высокого давления, радиатор (4), винтовой паровой двигатель (3), радиатор (4), жидкостный насос (6) высокого давления, накопительный бак (5), бак (8) подпитки и термоизоляцию корпуса двигателя (1) и барабана (2) пара высокого давления от окружающей среды.

Изобретение относится к области теплоэнергетического машиностроения и предназначено в качестве вспомогательных теплоэнергетических установок транспортных средств для поддержания их двигателей внутреннего сгорания в прогретом состоянии, нагрева воздуха в кабинах и снабжения бортовой сети электроэнергией.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Устройство (1) для выработки электрической энергии с использованием тепла отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания, имеет генератор (3) с входным патрубком (4) для ОГ и выходным патрубком (5) для ОГ.

Изобретение относится к дизельным двигателям. Техническим результатом является повышение эффективности цикла и упрощение конструкции.

Изобретение относится к теплообменникам выхлопных газов для двигателей внутреннего сгорания. Описан теплообменник 11 выхлопных газов для соединения с потоком выхлопных газов от двигателя 5 транспортного средства, имеющий совокупность каналов 30 перенаправления выхлопных газов и несколькими каналами 32 хладагента для передачи тепла от выхлопных газов, проходящих через теплообменник 11 выхлопных газов, хладагенту, который используется для подачи тепла в кабину транспортного средства. Теплообменник 11 выхлопных газов содержит отвод 55, позволяющий использовать охлажденные выхлопные газы в системе 50 рециркуляции выхлопных газов низкого давления. Теплообменник 11 выхлопных газов, таким образом, выполняет две функции - рекуперирует тепловую энергию для использования в отопителе 2 кабины и охлаждает выхлопные газы для использования в системе 50 рециркуляции выхлопных газов низкого давления. Изобретение обеспечивает рекуперирование остаточного тепла выхлопных газов для обогрева кабины транспортного средства, обеспечивая использование охлажденных выхлопных газов в системе рециркуляции выхлопных газов низкого давления. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, применяемых на транспортных средствах. Устройство (10) управления рекуперацией тепла выхлопных газов включает в себя блок (16) регулировки рекуперируемого тепла, выполненный с возможностью регулировки количества тепла, рекуперируемого из выхлопных газов, рекуператором (12) тепла выхлопных газов, и блок (14) управления. Блок (14) управления выполнен с возможностью управления блоком (16) регулировки рекуперируемого тепла таким образом, чтобы предотвратить или устранить промерзания в выхлопной трубе на основе данных пробега автотранспортного средства, на котором устанавливают устройство управления рекуперацией тепла выхлопных газов, при прогнозировании промерзаний в выхлопной трубе. Технический результат заключается в предотвращении замерзания водного конденсата при пробеге транспортного средства и в предотвращении уменьшения выходной мощности двигателя и аномалий внутренних шумов из-за звуков выхлопа. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение может быть использовано в устройствах рекуперации тепла выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Устройство (12) рекуперации тепла выхлопных газов содержит первый трубопровод (16), по которому протекают выхлопные газы из двигателя (14), второй трубопровод (18), ответвленный от первого трубопровода (16) и включающий в себя блок (26) рекуперации тепла, позволяющий теплу выхлопных газов воздействовать на теплоноситель, клапанный элемент (34) и приводной элемент (36). Клапанный элемент (34) выполнен с возможностью регулирования скорости потока выхлопных газов во втором трубопроводе (18). Приводной элемент (36) расположен вне контакта с контуром циркуляции потока теплоносителя и снабжен энергией для нагревания воска с целью изменения объема воска при приведении в действие клапанного элемента (34). Технический результат заключается в уменьшении воздействия тепла на приводной элемент от теплоносителя. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к двигателестроению. Техническим результатом является повышение КПД. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель без сжатия содержит два или три механизма с изменяемым объемом: устройство 1 для обеспечения впуска и вытеснения и устройство 2 для обеспечения сгорания и расширения или устройство 1 для обеспечения впуска и вытеснения, устройство 2 для обеспечения сгорания и расширения и атмосферный охладитель 3. Рабочий объем газа, втянутый в устройство 1, затем вытесненный в устройство 2 по существу при постоянном объеме, проходит через регенератор 5. Газ в устройстве 2 дополнительно нагревается от сгорания топлива, затем расширяется для получения работы. Далее газ перемещается через регенератор 5 в атмосферный охладитель 3 по существу при постоянном объеме или выходит из регенератора при постоянном давлении. Объем газа уменьшается в атмосферном охладителе с выполнением атмосферной работы. После уравновешивания давления газа с атмосферным давлением его выпускают из атмосферного охладителя 3. 23 з.п. ф-лы, 12 ил.
Наверх