КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02B33/42 F04F11/02 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к комбинированным двигателям внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом.

Известен комбинированный двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия отработавших газов (ОГ) срабатывается на турбине, которая передает крутящий момент компрессору, используемому для наддува двигателя (см. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д. Н. Вырубов, Н.А. Иващенко и др.. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова.- 4 изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1983. -372 с.).

Недостатком комбинированных двигателей внутреннего сгорания является неиспользование тепловой энергии ОГ, покидающих газовую турбину.

В качестве прототипа выбран комбинированный двигатель внутреннего сгорания, содержащий турбину привода компрессора наддува, подключенную впускным патрубком к магистрали выпуска отработавших газов из цилиндров и преобразователь энергии, выполненный в виде трансформатора давления с двумя каналами: первым для выпуска газов пониженного давления в атмосферу и вторым для выпуска газов повышенного давления, причем газы повышенного давления подводятся к газовпускному патрубку турбины, куда одновременно подводятся газы из цилиндров двигателя, а преобразователь энергии подключен своим газовпускным каналом к выхлопному патрубку турбины (см. А. с. СССР 1717853 F 02 В 33/42, F 04 F 11/02, опубл. 07.03.92, бюл 9).

Недостатком описанного двигателя с данной системой утилизации является то, что в нем используется только кинетическая энергия ОГ, которая преобразуется в трансформаторе в потенциальную энергию давления, а главная составляющая вторичной энергии - тепловая - преобразуется в полезную энергию весьма незначительно. Это приводит к недоиспользованию вторичной тепловой энергии ОГ и, следовательно, невысокому КПД системы в целом.

Техническим результатом изобретения является повышение КПД комбинированного двигателя путем использования вторичной теплоты, уходящей в атмосферу с ОГ.

Это достигается тем, что комбинированный двигатель внутреннего сгорания содержит турбину привода компрессора наддува, подключенную газовпускным патрубком к магистрали выпуска отработавших газов из цилиндров, и преобразователь энергии, подключенный к газовыпускному патрубку турбины. Согласно изобретению, преобразователь энергии выполнен в виде компрессора теплового сжатия (КТС), содержащего корпус с подводящим и отводящим патрубками и расположенное внутри него рабочее колесо с радиальными лопатками, а также неподвижный распределительный орган, расположенный внутри рабочего колеса, с выполненными в нем параллельными друг другу каналами, попарно соединяющими смежные межлопаточные объемы, и оппозитно расположенными окнами подвода низкого и высокого давления, при этом в корпусе, охватывающем рабочее колесо, выполнены окна отвода низкого и высокого давления, окно подвода высокого давления и окно отвода высокого давления связаны магистралью, в которой размещен теплообменник утилизационного контура, а на участке, примыкающем к окну отвода высокого давления, расположен патрубок отбора сжатого рабочего тела, соединенный с магистралью выпуска отработавших газов из цилиндра.

Патрубок отбора сжатого воздуха КТС может быть также соединен с активным соплом эжектора, пассивное сопло которого подключено к магистрали выпуска отработавших газов из цилиндров двигателя, а камера смешения - к газовпускному патрубку турбины.

Реализация вышеперечисленных решений позволяет повысить КПД комбинированного двигателя как за счет вторичного использования низкопотенциальной тепловой энергии ОГ путем преобразования ее в энергию давления в КТС, с последующим срабатыванием на турбине, так и за счет снижения противодавления выхлопу вследствие увеличения расхода газов через турбину.

Отличительной особенностью заявляемого устройства по отношению к прототипу является выполнение преобразователя энергии в виде КТС. Данное отличие позволяет использовать вторичную низкопотенциальную тепловую энергию для повышения эффективности комбинированного двигателя.

Благодаря наличию окон подвода и отвода низкого давления обеспечивается возможность продувки и пополнения межлопаточных объемов свежим воздухом в нижней части КТС. Окна подвода и отвода высокого давления позволяют реализовать вытеснение относительно холодного сжатого воздуха в теплообменник с целью подвода теплоты в конце процесса сжатия.

Расположение в магистрали отвода и подвода высокого давления теплообменника, связанного с газовыпускным патрубком турбины, обеспечивает утилизацию недоиспользованной в турбине тепловой энергии ОГ для последующего использования ее в цикле КТС.

Размещение патрубка отбора сжатого воздуха КТС за окном отвода высокого давления позволяет осуществить отвод части воздуха к турбине не только с максимальным давлением как традиционных КТС, но и с максимальной температурой цикла, что обеспечивает высокие термодинамические параметры рабочего тела, отведенного в турбину. Соединение патрубка отбора сжатого воздуха КТС с активным соплом эжектора, пассивное сопло которого подключено к магистрали выпуска ОГ из цилиндров двигателя, а камера смешения - к газовпускному патрубку турбины, обеспечивает снижение противодавления выхлопа из цилиндров двигателя при сохранении избыточного давления перед сопловым аппаратом турбины.

Следует отметить, что перечисленные выше признаки устройства обеспечивают реализацию заявляемого эффекта лишь в своей совокупности.

Сущность изобретение поясняется чертежом.

Комбинированный двигатель содержит поршневую часть с цилиндрами 1, турбокомпрессор 2 с размещенными на его валу компрессором 3 наддува и газовой турбиной 4, компрессор 3 подключен к впускному трубопроводу 5, а турбина подключена своим газовпускным патрубком 6 к магистрали 7 выпуска ОГ из цилиндров, а также КТС, содержащий подводящий патрубок 8, отводящий патрубок 9 и ротор 10 с радиальными лопатками 11, охватывающий распределительный орган 12, с выполненными в нем параллельными друг другу каналами 13, попарно соединяющими смежные межлопаточные объемы 14, и оппозитно расположенными окнами 15 подвода низкого давления (ПНД) и окнами 16 подвода высокого давления (ПВД). Наружная поверхность ротора 10 выполнена охваченной кожухом 17, содержащим окно 18 отвода низкого давления (ОНД) и окно 19 отвода высокого давления (ОВД), окна 16 ПВД и 19 ОВД связаны магистралью 20 с размещенным в ней теплообменником 21, соединенным с газовыпускным патрубком турбины 22. За окном 19 ОВД расположен патрубок 23 отбора сжатого воздуха к потребителю, который соединен с активным соплом 24 эжектора, пассивное сопло 25 которого подключено к магистрали 7 выпуска ОГ из цилиндров двигателя, а камера смешения 26 - к газовпускному патрубку турбины.

Двигатель работает следующим образом.

ОГ из цилиндров 1 двигателя по магистрали 7 поступают в турбину 4, мощность которой расходуется на привод компрессора 3. Из турбины 4 ОГ, еще имеющие достаточно высокий тепловой потенциал, подводятся к теплообменнику 21, где передают свою теплоту воздуху, используемому в качестве рабочего тела в КТС. При вращении ротора 10 каждый из межлопаточных объемов 14 с предварительно сжатым воздухом сообщается с окнами 16 ПВД и 19 ОВД, где поддерживается максимальное давление цикла. Под действием центробежных сил в межлопаточном объеме 14 осуществляется вытеснение относительно холодного сжатого воздуха горячим, причем холодный воздух поступает в теплообменник, где происходит его подогрев и расширение. Вследствие этого в окне 16 ПВД поддерживается максимальное давление цикла. После подключения межлопаточного объема 14 к патрубку 23 отбора сжатого воздуха часть воздуха с максимальными термодинамическими параметрами цикла КТС отводится к магистрали 7 выпуска ОГ из цилиндров и далее, смешиваясь с ОГ, подводится в турбину 4. Благодаря увеличению расхода рабочего тела через турбину 4 требуемая мощность турбокомпрессора 2 реализуется при меньшем противодавлении выпуску газов из цилиндров. Другая часть воздуха при совмещении межлопаточного объема 14 с каналами 13 частями отводится в смежные, по отношению к каналам 13 межлопаточные объемы. В результате приближения межлопаточного объема 14 к окну 18 ОНД давление и температура в указанном объеме снижаются. В первоначальный момент совмещения с окном 18 ОНД давление и температура в межлопаточном объеме 14 имеет еще некоторый избыточный потенциал по отношению к параметрам окружающей среды. В период подключения рассматриваемого объема к окнам 18 ОНД и 15 ПНД, под действием центробежных и инерционных сил осуществляется продувка: свежий заряд поступает через подводящий патрубок 8 и окно 15 ПНД, а отработанный воздух вытесняется через окно 18 ОНД и отводящий патрубок 9 в атмосферу. При дальнейшем вращении ротора 10 межлопаточный объем 14 последовательно сообщается с каналами 13, через которые обеспечивается подвод воздуха от смежных межлопаточных объемов, что сопровождается ступенчатым повышением давления (до давления предварительного сжатия) и температуры в нем. Далее межлопаточный объем 14 совмещается с окнами 19 ОВД и 16 ПВД и описанный процесс, повторяясь, обеспечивает непрерывную работу КТС.

На режимах частичных нагрузок двигателя сжатый воздух из КТС через активное сопло 24 эжектора поступает в камеру смешения 26, где смешиваясь с ОГ двигателя, подводится к газовпускному патрубку 6 турбины 4, чем обеспечивается избыточное давление перед турбиной по отношению к противодавлению выпуску ОГ из цилиндров.

Таким образом, необходимая мощность турбины может быть достигнута за счет увеличения расхода ОГ через турбину при снижении противодавления выпуску газов из цилиндров, что способствует повышению КПД поршневой части двигателя как за счет снижения работы выталкивания газов из цилиндров, так и за счет повышения индикаторного КПД двигателя вследствие улучшения продувки и повышения коэффициента избытка воздуха.

К преимуществам предложенного технического решения по сравнению с прототипом следует отнести следующее:
использование вторичной низкопотенциальной тепловой энергии ОГ путем преобразования ее в энергию сжатого воздуха в КТС с последующим срабатыванием на турбине;
повышение КПД поршневой части двигателя вследствие увеличения мощности газовой турбины за счет большего расхода рабочего тела через турбину и связанного с этим снижением противодавления выпуску ОГ из цилиндров.

Эффект от использования изобретения получается за счет более рационального использования тепловой энергии.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к комбинированным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение кпд двигателя путем утилизации тепла отработавших газов. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит турбину привода компрессора наддува и преобразователь энергии, подключенный к газовпускному патрубку турбины. Согласно изобретению, преобразователь энергии выполнен в виде компрессора теплового сжатия с подводящим и отводящим патрубками и расположенным внутри него рабочим колесом с радиальными лопатками, а также неподвижным распределительным органом, расположенным внутри рабочего колеса. При этом окно подвода высокого давления и окно отвода высокого давления связаны магистралью, в которой размещен теплообменник утилизационного контура, а на участке, примыкающем к окну отвода высокого давления, расположен патрубок отбора сжатого рабочего тела, соединенный с магистралью выпуска отработавших газов из цилиндра. Преобразователь энергии позволяет увеличить расход рабочего тела через турбину за счет использования атмосферного воздуха с подведенной к нему теплотой отработавших газов. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания, содержащий турбину привода компрессора наддува, подключенную газовпускным патрубком к магистрали выпуска отработавших газов из цилиндров, и преобразователь энергии, подключенный к газовыпускному патрубку турбины, отличающийся тем, что преобразователь энергии выполнен в виде компрессора теплового сжатия, содержащего корпус с подводящим и отводящим патрубками и расположенное внутри него рабочее колесо с радиальными лопатками, а также неподвижный распределительный орган, расположенный внутри рабочего колеса, с выполненными в нем параллельно друг другу каналами, попарно соединяющими смежные межлопаточные объемы, и оппозитно расположенными окнами подвода низкого и высокого давления, при этом в корпусе, охватывающем рабочее колесо, выполнены окна отвода низкого и высокого давления, окно подвода высокого давления и окно отвода высокого давления связаны магистралью, в которой размещен теплообменник утилизационного контура, а на участке, примыкающем к окну отвода высокого давления, расположен патрубок отбора сжатого рабочего тела, соединенный с магистралью выпуска отработавших газов из цилиндра. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что патрубок отбора сжатого воздуха компрессора теплового сжатия соединен с активным соплом эжектора, пассивное сопло которого подключено к магистрали выпуска отработавших газов из цилиндров двигателя, а камера смешения - к газовпускному патрубку турбины.