ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭТОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК F02G5/02 F01K23/10 

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, оснащенному устройством для преобразования энергии отработавших газов, которое отдает создаваемую в ней мощность двигателю для повышения его коэффициента полезного действия, и к способу эксплуатации такого двигателя.

Такие двигатели внутреннего сгорания с наддувом известны например из патента DE-PS 962764. Здесь устройство для преобразования энергии отработавших газов состоит из силовой турбины, которая при избытке мощности в отходящих газах подключается последовательно с основной турбиной турбонагнетателя и соединяется через кинематическую передачу с переключаемой муфтой с приводным валом двигателя, т.е. с коленчатым валом для того, чтобы передать этому валу механическую энергию, в которую превратился имеющийся избыток мощности отработавших газов.

Поставив перед собой цель повысить экономичность двигателей внутреннего сгорания этого рода, заявитель уже в восьмидесятые годы разработал так называемую турбокомпаундную систему, которая позволила лучше использовать энергию отработавших газов, благодаря чему можно было повысить эффективный коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания с наддувом.

Для этого в двигателе внутреннего сгорания с турбокомпрессором, турбина которого подсоединена к выпускному коллектору отработавших газов, а компрессор - к коллектору наддувочного воздуха, рабочее колесо турбины и рабочее колесо компрессора посажены на одном валу, и который обладает столь высоким коэффициентом полезного действия, что может проявиться избыточная мощность отработавших газов, которая не требует наличия количества воздуха, необходимого для образования оптимального коэффициента избытка воздуха в цилиндре двигателя, перед турбокомпрессором из потока отработавшего газа ответвляется некоторая часть, подводимая в небольшую дополнительную турбину.

Эта дополнительная турбина через специальный редуктор, представляющий собой сочетание планетарной передачи, понизительной передачи и обгонной муфты, соединена с коленчатым валом двигателя, благодаря чему созданную мощность можно непосредственно передать коленчатому валу.

Для того чтобы забором отработавших газов перед турбокомпрессором для привода дополнительной турбины не увеличить термическую нагрузку двигателя, т.е. не ухудшить коэффициент полезного действия двигателя, создаваемая двигателем мощность уменьшается на величину, создаваемую турбокомпаундной системой. При остающейся в целом неизменной полезной мощности, т.е. неизменной полной мощности двигателя, благодаря турбокомпаундной системы прежде всего достигается улучшение удельного расхода энергии, т.е. эффективного коэффициента полезного действия.

Задачей изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, оснащенного дополнительным устройством для преобразования энергии отработанных газов, которое отдает создаваемую в нем мощность коленчатому валу двигателя для повышения коэффициента полезного действия, без ухудшения эксплуатационной надежности двигателя и дополнительного расхода топлива.

Поставленная задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, оснащенном дополнительным устройством для преобразования энергии отработавших газов, которое отдает создаваемую в нем мощность коленчатому валу двигателя для повышения коэффициента полезного действия, согласно данному техническому решению в качестве устройства для преобразования энергии отработавших газов, предусмотрены парогенератор и паротурбинный агрегат с паровой турбиной, связанной с коленчатым валом двигателя, причем парогенератор содержит котел, через который проходит поток массы отработавших газов из турбокомпрессора и из которого, по меньшей мере, основная часть образуемого пара подается в паровую турбину, при этом паротурбинный агрегат включает в себя конденсатор и для повышения используемого в паровой турбине теплоперепада предусмотрена охладительная башня, причем парогенератор и паротурбинный агрегат соединены с замкнутым контуром циркуляции воды, при этом при подводе конденсата из конденсатора в сосуд для питательной воды контура циркуляции воды используется отводимое тепло двигателя.

Целесообразным является то, что паровая турбина соединена непосредственно с коленчатым валом двигателя.

Также целесообразным является то, что паровая турбина соединена с ротором генератора, а генератор посредством упругой муфты соединен с коленчатым валом двигателя.

Предпочтительным является то, что паровая турбина через редуктор из планетарной и понижающей передачи и обгонную муфту соединяется с коленчатым валом двигателя.

Также предпочтительным является то, что из парогенератора небольшая доля создаваемого пара отводится для питания внутренних, нуждающихся в нем органов двигателя.

Задачей изобретения является также создание способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, обеспечивающего повышение коэффициента полезного действия двигателя без ухудшения эксплуатационной надежности и дополнительного расхода топлива.

Поставленная задача достигается тем, что в способе эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, согласно данному техническому изобретению, энергию потерь отработавших газов используют для создания дополнительной мощности, для чего из массового потока, выходящего из турбокомпрессора, забирают энергию парогенератором, по меньшей мере, преобладающую часть созданного пара подводят в паротурбинный агрегат и созданную таким образом мощность передают на коленчатый вал двигателя.

Целесообразным является то, что небольшую долю созданного пара используют для питания внутренних, нуждающихся в нем органов двигателя.

Предпочтительным является то, что отводимое тепло из высокотемпературного контура двигателя используют для предварительного подогрева питательной воды в парогенераторе.

В отличие от известного уровня техники согласно изобретению мощность, дополнительно созданная посредством паротурбинного агрегата, получается не путем отбора отработанных газов перед турбокомпрессором (первичный отбор энергии), а используется энергия отработавших газов в направлении потока этих газов после турбокомпрессора (вторичный отбор энергии).

Благодаря тому, что парогенератор использует из потока масс отработавших газов после турбокомпрессора только отводимое тепло и энергия превращается в механическую мощность посредством паровой турбины, не требуется изменять систему турбокомпрессора, вследствие чего отсутствует обратное воздействие на процесс работы двигателя внутреннего сгорания.

Благодаря тому, что в контуре циркуляции воды предусмотрено устройство для подогрева питательной воды, в котором можно использовать отводимое тепло из высокотемпературного контура двигателя, достигается дальнейшее повышение коэффициента полезного действия паротурбинного агрегата.

Особое преимущество предварительного подогрева питательной воды в дополнительном устройстве для преобразования энергии отработавших газов в патентуемом двигателе внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом заключается в том, что нужно отводить лишь сравнительно небольшую долю пара, создаваемого парогенератором, посредством которого осуществляется предварительный подогрев питательной воды и внутренних нуждающихся в ней органов, например системы подогрева горючего для двигателя.

Для того, чтобы достигнуть высокого выхода мощности, пар, покинувший паровую турбину, необходимо конденсировать до возможно более низкого уровня температуры. Согласно предпочтительному примеру исполнения изобретения это целесообразно осуществить путем применения охладительной башни.

Так как паровая турбина соединяется посредством редуктора, состоящего из планетарной и понизительной передачи, включая обгонную муфту, непосредственно с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания или с ротором генератора, например генератора трехфазного тока, который затем соединяется упругой муфтой с двигателем внутреннего сгорания, отпадает надобность в дополнительных затратах, например на отдельный генератор, включая сложные и многочисленные управляющие и регулирующие устройства.

Ниже изобретение описывается на примере двух целесообразных видов исполнения. На схемах, в частности, показаны:

на фиг.1 - система, при которой дополнительная мощность паротурбинного агрегата отдается непосредственно коленчатому валу двигателя внутреннего сгорания;

на фиг.2 - система, при которой дополнительная мощность паротурбинной установки отдается коленчатому валу двигателя внутреннего сгорания через генератор.

На фиг.1 показан принцип работы двигателя внутреннего сгорания 2 с наддувом от турбокомпрессора 1 с приводимым во вращение двигателем 2 генератором 30 (например, генератором трехфазного тока), с парогенератором 3 и паротурбинным агрегатом 4.

Турбокомпрессор 1 состоит из известных (и поэтому не показанных) частей - турбины, работающей на отработавших газах, и компрессора наддувочного воздуха, - которые присоединены соответственно к выпускному коллектору отработавших газов и к коллектору поддувочного воздуха двигателя 2. Рабочее колесо турбины и рабочее колесо компрессора, которые входят в турбокомпрессор 1, посажены на общем валу. Номером 20 обозначен коленчатый вал двигателя 2.

Парогенератор 3 состоит из котла 6, через который по трубопроводам 7а, 7б проходит поток массы отработавших газов из турбокомпрессора 1, выпускаемый затем в дымовую трубу 8, и испарителя 11.

Паротурбинный агрегат 4 состоит из паровой турбины 9 и конденсационной камеры 10. Паровая турбина 9 отдает созданную ею мощность через автоматически работающую обгонную муфту 21 и редуктор 22 из планетарных и понижающих передач непосредственно коленчатому валу двигателя 2.

Пар, образованный в котле 6, проходит по паропроводу 12 в паровую турбину 9. Из паровой турбины 9 расширившийся пар попадает по трубе 13 в конденсатор 10, откуда конденсат подводится насосом 14 в резервуар 5 питательной воды. Насос 14 питательной воды нагнетает конденсат в испаритель 11, откуда насос 15 выводит горячую воду в котел 6, где ее температура еще больше повышается, после чего она возвращается в испаритель 11, где испаряется.

Вакуумом, возникающим в конденсаторе 10 при осаждении пара, определяется конечная точка расширения в паровой турбине 9. Чем глубже этот вакуум, тем больше перепад давлений, который можно использовать в паровой турбине 9, и тем больше коэффициент полезного действия процесса.

Для того, чтобы достигнуть высокого выхода мощности в паровой турбине 9, надо пар, вышедший из турбины 9, конденсировать на возможно более низкий уровень температуры, для чего целесообразно предусмотреть охладительную башню 16. Здесь охлаждающая среда (вода) охлаждается до исходной температуры. Парогенератор 3 целесообразно снабдить замкнутым контуром циркуляции воды с тем, чтобы можно было восполнить потери циркулирующей воды предварительно обработанной водой, которую можно ввести в циркуляцию через канал 17.

В рассматриваемом примере исполнения предусмотрен отвод из парогенератора 3 небольшой доли создаваемого пара для питания внутренних нуждающихся в нем органов 50 двигателя 2.

При подводе конденсатора из конденсатора 10 в сосуд 5 для питательной воды используется отводимое тепло из высокотемпературного контура 40 двигателя. Разумеется, подогрев можно усилить также некоторой частью количества пара, создаваемого в парогенераторе, как указано линией 60.

При помощи вышеописанных элементов, патентуемого двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, предпочтительно дизеля, и патентуемого способа эксплуатации этого двигателя становится возможным оптимальное преобразование тепла отработавших газов из турбокомпрессора в механическую приводную энергию и питание этим потоком нуждающегося в нем органа или органов, благодаря чему на коленчатом валу двигателя достигается более высокая общая мощность по сравнению с номинальной мощностью без ухудшения эксплуатационной надежности и без дополнительного расхода горючего.

На фиг.2 показан второй пример исполнения, отличающийся от первого (фиг.1) только тем, что паровая турбина 9 отдает создаваемую ею мощность ротору 60 генератора 30 через автоматически работающую обгонную муфту 21 и редуктор 22 из планетарной и понизительной передачи. Известным образом коленчатый вал 20 двигателя внутреннего сгорания 2 соединен с генератором 30 посредством упругой муфты 61. Особое преимущество этого варианта заключается в том, что уменьшается нагружение паровой турбины вибрациями двигателя.

Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет повысить коэффициент полезного действия двигателя без ухудшения его эксплуатационной надежности. Двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом оснащен дополнительным устройством для преобразования энергии отработавших газов, которое отдает создаваемую в нем мощность коленчатому валу двигателя для повышения коэффициента полезного действия. В качестве устройства для преобразования энергии отработавших газов предусмотрены парогенератор (3) и паротурбинный агрегат (4) с паровой турбиной (9), связанной с коленчатым валом (20) двигателя 2. Парогенератор (3) содержит котел (6), через который проходит поток массы отработавших газов из турбокомпрессора (1) и из которого, по меньшей мере, основная часть образуемого пара подается в паровую турбину (9). Паротурбинный агрегат (4) включает в себя конденсатор (10) и для повышения используемого в паровой турбине (9) теплоперепада предусмотрена охладительная башня (16). Парогенератор (3) и паротурбинный агрегат (4) соединены с замкнутым контуром циркуляции воды, при этом при подводе конденсата из конденсатора (10) в сосуд (5) для питательной воды контура циркуляции воды используется отводимое тепло двигателя (2). В предложенном способе эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом энергию потерь отработавших газов используют для создания дополнительной мощности, для чего из массового потока, выходящего из турбокомпрессора (1), забирают энергию парогенератором (3), по меньшей мере, преобладающую часть созданного пара подводят в паротурбинный агрегат (4) и созданную таким образом мощность передают на коленчатый вал (20) двигателя (2). 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, оснащенный дополнительным устройством для преобразования энергии отработавших газов, которое отдает создаваемую в нем мощность коленчатому валу двигателя для повышения коэффициента полезного действия, отличающийся тем, что в качестве устройства для преобразования энергии отработавших газов предусмотрены парогенератор (3) и паротурбинный агрегат (4) с паровой турбиной (9), связанной с коленчатым валом (20) двигателя (2), причем парогенератор (3) содержит котел (6), через который проходит поток массы отработавших газов из турбокомпрессора (1) и из которого, по меньшей мере, основная часть образуемого пара подается в паровую турбину (9), при этом паротурбинный агрегат (4) включает в себя конденсатор (10) и для повышения используемого в паровой турбине (9) теплоперепада предусмотрена охладительная башня (16), причем парогенератор (3) и паротурбинный агрегат (4) соединены с замкнутым контуром циркуляции воды, при этом при подводе конденсата из конденсатора (10) в сосуд (5) для питательной воды контура циркуляции воды используется отводимое тепло двигателя (2).2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что паровая турбина (9) соединена непосредственно с коленчатым валом (20) двигателя (2).3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что паровая турбина (9) соединена с ротором (60) генератора (30), а генератор (30) посредством упругой муфты (61) соединен с коленчатым валом (20) двигателя (2).4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что паровая турбина (9) через редуктор (22) из планетарной и понижающей передачи и обгонную муфту (21) соединяется с коленчатым валом (20) двигателя (2).5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что из парогенератора (3) небольшая доля создаваемого пара отводится для питания внутренних, нуждающихся в нем органов (50) двигателя (2).6. Способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, отличающийся тем, что энергию потерь отработавших газов используют для создания дополнительной мощности, для чего из массового потока, выходящего из турбокомпрессора (1), забирают энергию парогенератором (3), по меньшей мере, преобладающую часть созданного пара подводят в паротурбинный агрегат (4) и созданную таким образом мощность передают на коленчатый вал (20) двигателя (2).7. Способ по п.6, отличающийся тем, что небольшую долю созданного пара используют для питания внутренних, нуждающихся в нем органов (50) двигателя (2).8. Способ по п.7, отличающийся тем, что отводимое тепло из высокотемпературного контура (40) двигателя (2) используют для предварительного подогрева питательной воды в парогенераторе (3).