ДВС С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ Российский патент 2004 года по МПК F02B37/07 

Изобретение относится к области тепловых двигателей, предназначено для поршневых ДВС с газотурбинным наддувом (комбинированных ДВС) и может быть использовано для транспортных двигателей, в частности для судовых дизелей.

Общеизвестен ДВС с газотурбинным наддувом, содержащий поршневой двигатель и газотурбонагнетатель, турбина и компрессор которого скомпонованы на общем валу и связаны трубопроводами соответственно с выпускным и впускным трактами двигателя [1]. Газотурбонагнетатель позволяет использовать энергию выпускных газов для наддува. Это повышает мощность двигателя и улучшает ряд его энергетических характеристик: удельную мощность, коэффициент наполнения и т.д.

Недостатком газотурбинного наддува следует признать неполное использование энергии выпускных газов и несоответствие параметров газотурбонагнетателя параметрам двигателя на частичных режимах его работы.

Наиболее близким прототипом является ДВС с двухступенчатым турбонаддувом [2], содержащий воздухонапорную и газовыпускные магистрали, в которых установлены последовательно два турбонагнетателя, и теплообменник, установленный между турбинами турбонагнетателей и снабженный трубой перепуска газов и органом регулирования. Это позволяет снижать температуру газа перед турбиной первой ступени на максимальной нагрузке и повышать температуру газа перед турбиной второй ступени на долевых нагрузках.

Улучшая характеристики двигателя, это устройство не обеспечивает повышения кпд. Кроме того, является проблематичным надежность и долговечность органа регулирования газа, установленного на газовыпускном тракте перед турбинами и работающего при наивысших параметрах выпускного газа по температуре и давлению.

Основной проблемой, которая решается в предлагаемом изобретении является дополнительное использование энергии выпускных газов комбинированного двигателя.

Техническим результатом, достигаемым в изобретении, является повышение эффективности газотурбонагнетателя и, следовательно, повышение общего кпд.

Этот результат достигается тем, что в ДВС с газотурбинным наддувом, содержащем теплообменник, поршневой двигатель и газотурбонагнетатель, турбина и компрессор газотурбонагнетателя установлены на одном валу и присоединены трубопроводами соответственно к выпускному и впускному трактам двигателя. Причем газотурбонагнетатель снабжен турбодетандером с дополнительным компрессором, на входе которого, связанного с выпускным трактом турбины турбодетандера, установлен дополнительный теплообменник для охлаждения выпускных газов. При этом на валу турбины турбодетандера установлен дополнительный компрессор, а турбина турбодетандера совмещена с турбиной газотурбонагнетателя.

Такое выполнение газотурбинного наддува позволяет снизить давление в выпускном тракте поршневой части двигателя и значительно понизить температуру выпускных газов. Таким образом, повышается общий кпд двигателя и мощность газотурбонагнетателя.

Изобретение показано на чертежах:

на фиг.1 показан вариант двигателя с газотурбонагнетателем, турбодетандером и дополнительным компрессором;

на фиг.2 - вариант двигателя с совмещенными турбинами турбодетандера и газотурбонагнетателя и дополнительным компрессором на одном валу;

на фиг.3 представлен упрощенный цикл дизеля с дополнительным охлаждением и отсосом выпускных газов турбодетандером.

Комбинированный ДВС содержит поршневой двигатель 1 и газотурбонагнетатель с турбиной 2 и компрессором 3, установленными на общем валу 4 (см. фиг.1). Турбина 2 связана с выпускным трактом 5 двигателя 1, а компрессор 3 - с впускным трактом 6, на котором установлен теплообменник 7. На выходе турбины 2 помещена турбина 8 турбодетандера, на валу 9 которой установлен компрессор 10. Вход компрессора 10 соединен с выходом турбины 8 продолжением выпускного тракта 5, на котором установлен теплообменник 11.

В оптимизированном варианте (см. фиг.2) показан поршневой двигатель 1 с турбиной 12, совмещающей турбины газотурбонагнетателя и турбодетандера, и компрессором 3, установленными на общем валу 4. Турбина 12 связана с выпускным трактом 5 двигателя 1, а компрессор 3 - с впускным трактом 6, на котором установлен теплообменник 7. Дополнительный компрессор 10 установлен на общем валу 4 газотурбонагнетателя. Вход компрессора 10 соединен с выходом турбины 12 продолжением выпускного тракта 5, на котором установлен теплообменник 11.

Рассмотрим первоначально работу дизеля с обычным газотурбинным наддувом. Цикл дизеля (см. фиг.1) представлен линиями 13-14 - сжатие в компрессоре газотурбонагнетателя от атмосферного давления р₀ до давления наддува р_k, 14-15 - сжатие в поршневой части двигателя (дизеля), 15-16 и 16-17 - линии подвода теплоты при постоянном объеме и давлении соответственно, 17-18 - линия расширения. Для простоты рассуждении принимаем цикл дизеля с продолженным расширением как, например, при импульсном наддуве. Далее, 18-19 - расширение в турбине газотурбонагнетателя. Линия 19-13 - отвод тепла из цикла. При этом получается некоторое превышение давления наддува p_k над давлением перед турбиной газотурбонагнетателя р_T (10-15 кПа), что создает положительную работу насосных ходов (всасывания и выпуска).

В предлагаемом изобретении процесс расширения в совмещенной турбине 12 газотурбонагнетателя и турбодетандера (фиг.2) или в турбинах 2 и 8 (фиг.1) пойдет по кривой а - 20, т.е. начнется от более низкого давления, чем в обычном дизеле. Расчеты показывают, что при обычном для таких лопаточных машин адиабатном кпд, равном 0,75 отдельно для турбины или компрессора, энергии турбины 12 (фиг.2) или турбин 2 и 8 (фиг.1) достаточно для обеспечения общего процесса сжатия, идущего по линии 21-14, т.е. для обеспечения того же давления наддува. Имеется в виду сжатие выпускного газа до атмосферного давления и сжатие воздуха от атмосферного давления до давления наддува. При принятых значениях адиабатных кпд легко достигается разряжение в области низкого давления (в теплообменнике 11) до 50 кПа. Таким образом, давление в выпускном тракте дизеля р_тдт оказывается ниже, чем при обычном газотурбинном наддуве. При этом возрастает положительная работа насосных ходов и, следовательно, мощность дизеля, без увеличения подачи топлива, т.е. увеличивается его кпд.

Работает устройство следующим образом (фиг.1). Система газотурбинного наддува: дизель 1, газовая турбина 2, центробежный компрессор 3 и охладитель наддувочного воздуха 7 работает как обычная система наддува комбинированного двигателя. Но после турбины 2 выпускной газ направляется в турбину 8 турбодетандера, затем в охладитель 11 и, наконец, в компрессор 10, который сжимает охлажденный выпускной газ до атмосферного давления и выбрасывает его в атмосферу. При этом оказывается, что давление газа после турбины 2 (точка а на фиг.1) уменьшается на некоторую величину и становится ниже атмосферного давления, что приводит к понижению давления в выпускном тракте дизеля и, следовательно, к увеличению мощности дизеля, таким образом, кпд его увеличится.

Схема, представленная на фиг.1, предназначена, в основном, для пояснения принципа действия предлагаемого устройства. Предпочтительнее схема, показанная на фиг.2, где компрессоры 3, 10 и турбина 12 скомпонованы в один агрегат, что упрощает конструкцию. Мощность турбины 12, в этом случае, равна сумме мощностей двух турбин 2 и 8, показанных на фиг.1.

Практический эффект, который следует из описанного принципа, заключается в том, что давление во впускном тракте дизеля оказывается значительно больше, чем в выпускном.

Предлагаемая система наиболее пригодна для судовых двигателей, где, при избытке воды, достаточно легко осуществить глубокое охлаждение выпускного газа, но она может быть применена и для транспортных дизелей, а также для бензиновых двигателей. При этом их кпд также повысится.

Расчеты термодинамического цикла предлагаемой системы показывают, что можно получить увеличение кпд двигателя на 5 и более процентов.

Источники информации

1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей/ Д.Н.Вырубов, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. - М.: Машиностроение, 1983, с.203-221.

2. Авт. св. СССР №891987, М. Кл F 02 В 37/00, 1981 (прототип).

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с газотурбинным наддувом. Изобретение позволяет повысить эффективность газотурбонагнетателя и общий кпд. ДВС с газотурбинным наддувом содержит теплообменник, поршневой двигатель с газотурбонагнетателем, турбина и компрессор которого установлены на одном валу и присоединены трубопроводами соответственно к выпускному и впускному трактам двигателя. Газотурбонагнетатель снабжен турбодетандером с дополнительным компрессором, на входе которого, связанного с выпускным трактом турбины турбодетандера, установлен дополнительный теплообменник для охлаждения выпускных газов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ДВС с газотурбинным наддувом, содержащий теплообменник, поршневой двигатель с газотурбонагнетателем, турбина и компрессор которого установлены на одном валу и присоединены трубопроводами соответственно к выпускному и впускному трактам двигателя, отличающийся тем, что газотурбонагнетатель снабжен турбодетандером с дополнительным компрессором, на входе которого, связанного с выпускным трактом турбины турбодетандера, установлен дополнительный теплообменник для охлаждения выпускных газов.2. ДВС с газотурбинным наддувом по п.1, отличающийся тем, что на валу турбины турбодетандера установлен дополнительный компрессор.3. ДВС с газотурбинным наддувом по п.1, отличающийся тем, что турбина турбодетандера совмещена с турбиной газотурбонагнетателя.