ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ СИСТЕМА ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЯ ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2011 года по МПК F02B37/13 

Изобретение относится к двухступенчатой системе турбонагнетателя двигателя для двигателя внутреннего сгорания.

Такая двухступенчатая система турбонагнетателя двигателя раскрыта в патенте US 4930315. Эта система турбонагнетателя ограничена, поскольку трудно обеспечить для нее дизельный сажевый фильтр. Обычно окислительный нейтрализатор оборудуют близко к двигателю и под полом дизельный сажевый фильтр. Транспортное средство, оснащенное таким двигателем, имеет невысокие показатели работы и утечку тепла, когда дизельный сажевый фильтр восстанавливается.

Двухступенчатый турбонагнетатель с возможностью переключения также известен из DE 10230934 А1. Каждая турбина имеет регулируемый перепуск, который создается клапаном со сбрасывающей заслонкой.

Задачей изобретения является создание транспортного средства с чистым и мощным двигателем, на платформе транспортного средства существующей архитектуры.

Эта задача решается объектом независимого пункта формулы изобретения. Эффективные усовершенствования даются в зависимых пунктах формулы изобретения.

Изобретение создает систему турбонагнетателя двигателя для двигателя внутреннего сгорания. Кожух турбины для турбонагнетателя содержит горловину нагнетателя низкого давления для приема от турбонагнетателя низкого давления и горловину нагнетателя высокого давления для приема от турбонагнетателя высокого давления. Горловина нагнетателя низкого давления и горловина нагнетателя высокого давления сообщаются через выпускной тракт низкого давления так, что поток и давление, проходящие из турбины высокого давления, приводят в действие турбину низкого давления.

Кроме того, имеется выпускной канал высокого давления, сообщающийся через выпускной тракт высокого давления с горловиной нагнетателя высокого давления, при этом выпускной канал высокого давления прикреплен к соответствующему фланцу на выпускном коллекторе двигателя так, чтобы поток и давление из выпускного коллектора двигателя приводили в действие турбину высокого давления.

Также имеется выпускная горловина сокращения пути, выпускная горловина сокращения пути сообщается через тракт сокращения пути с горловиной нагнетателя низкого давления. Выпускная горловина сокращения пути прикрепляется к соответствующему фланцу на выпускном коллекторе двигателя так, чтобы поток и давление из выпускного коллектора двигателя приводили в действие турбину низкого давления. Перепускной клапан турбины высокого давления расположен в тракте сокращения пути, который влияет на то, как поток из выпускного коллектора двигателя направляется в турбину низкого давления.

Кожух турбины содержит внешнюю соединительную горловину, прикрепленную к глушителю. Внешняя соединительная горловина сообщается с нагнетателем низкого давления так, чтобы поток и давление из турбины низкого давления шли на выхлоп после системы очистки и глушителя.

Внешняя соединительная горловина дополнительно сообщается с выпускным трактом низкого давления через перепускной тракт выпуска низкого давления, чтобы поток и давление из выпускного тракта низкого давления также проходили в глушитель. Зона клапана со сбрасывающей заслонкой создана в перепускном тракте выпуска низкого давления, который влияет на то, как поток, проходящий из выпускного тракта низкого давления, направляется в глушитель.

Одно из главных преимуществ такой конструкции заключается в том, что отработавшие газы могут направляться из выпускного коллектора как в турбину ступени высокого давления, так и непосредственно в турбину ступени низкого давления. Отработавшие газы, выходящие в турбину высокого давления, также могут быть направлены назад в турбину низкого давления. В то же время, аналогичное соединение между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления может быть использовано как канал клапана со сбрасывающей заслонкой, когда работой системы управляют в различных условиях.

Дополнительным преимуществом, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, является то, что кожух турбины согласно изобретению оснащен турбонагнетателем низкого давления с колесом ротора турбины низкого давления, расположенным в горловине нагнетателя низкого давления, и турбонагнетателем высокого давления с колесом ротора турбины высокого давления, расположенным в горловине нагнетателя высокого давления. Колесо ротора турбины низкого давления и колесо ротора турбины высокого давления обращены лицевой поверхностью друг к другу. Это дает возможность создания компактного и легкого по весу образца для системы турбонагнетателя двигателя согласно изобретению и, следовательно, использования близко расположенного дизельного сажевого фильтра, особенно, когда выпускной фланец высокого давления и выпускной фланец сокращения пути лежат, по существу, параллельно или в одной плоскости. Такой близко расположенный дизельный сажевый фильтр является менее дорогим, чем раздельный каталитический нейтрализатор с дизельным сажевым фильтром, установленным под полом кузова. Более короткое расстояние между выходом турбосистемы и сажевым фильтром дизельного топлива означает, что (по сравнению с дизельным сажевым фильтром, установленным под полом) в дизельном сажевом фильтре настоящего изобретения будет достигаться более высокая температура, которая улучшит его показатели работы. Он также имеет меньшее падение давления, что означает достижение более высоких показателей работы, что важно, когда двигатель внутреннего сгорания согласно изобретению установлен в транспортном средстве с внешней соединительной горловиной, присоединяемой к секции глушителя транспортного средства.

Другой эффективный вариант осуществления изобретения обеспечивает выпускной тракт низкого давления, выпускной тракт высокого давления, тракт сокращения пути и/или перепускной тракт выпуска низкого давления как внутренние каналы в кожухе турбины. При реализации изобретения этого можно будет легко достичь, особенно если кожух турбины будет отлит как одно целое. Такой компактно встроенный кожух турбины имеет меньшее количество дорогих жаропрочных материалов. В связи с меньшим количеством деталей и соединений снижается риск протечки, следовательно, повышается качество и снижается стоимость. Более того, такой кожух турбины обеспечивает легкий и простой доступ для станочной обработки контуров колеса ротора турбины через отверстия в отливке.

Получается, что зона клапана со сбрасывающей заслонкой также легко доступна для станочной обработки с наружной стороны кожуха турбины, когда зона клапана со сбрасывающей заслонкой расположена вблизи внешней соединительной горловиной. Это помогает сократить стоимость изготовления системы турбонагнетателя двигателя согласно настоящему изобретению.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения описан ниже, путем приведения примеров, со ссылкой на Фиг.1-8 прилагаемых чертежей, на которых:

На Фиг.1 показана общая схема системы турбонагнетателя двигателя согласно настоящему изобретению;

На Фиг.2 показано трехмерное изображение с частичными вырезами системы турбонагнетателя двигателя, показанной на Фиг.1;

На Фиг.3 показано трехмерное изображение с частичными вырезами системы турбонагнетателя двигателя, показанной на Фиг.1;

На Фиг.4 показано дополнительное трехмерное изображение с частичными вырезами системы турбонагнетателя двигателя, показанной на Фиг.1;

На Фиг.5 показано трехмерное изображение с частичными вырезами кожуха турбины системы турбонагнетателя двигателя, показанной на Фиг.1;

На Фиг.6 показано дополнительное трехмерное изображение с частичными вырезами кожуха турбины, показанного на Фиг.5;

На Фиг.7 показано дополнительное трехмерное изображение с частичными вырезами кожуха турбины, показанного на Фиг.5;

На Фиг.8 показано дополнительное трехмерное изображение с частичными вырезами кожуха турбины, показанного на Фиг.5.

На Фиг.1 показана структура одного примера системы турбонагнетателя двигателя согласно настоящему изобретению.

Система турбонагнетателя двигателя содержит двигатель Е с четырьмя цилиндрами Z, с турбонагнетателем 1 высокого давления, с турбонагнетателем 9 низкого давления и с дизельным сажевым фильтром DPF. Для лучшей ясности, прочие части двигателя Е на Фиг.1 опущены.

Турбонагнетатель 1 высокого давления включает в себя турбину 2 высокого давления и компрессор 4 высокого давления, приводимый в действие турбиной 2 высокого давления через вал 3. Вход 1а турбины высокого давления контактно соединен с выпускным коллектором 6 двигателя Е через выпускную трубу 5 высокого давления, которая также называется соединительной трубой турбины высокого давления. Выход 4а компрессора высокого давления сообщается с впускным коллектором 8 двигателя Е через трубу 7 нагнетания высокого давления. Промежуточный охладитель 7а оборудован в трубе 7 нагнетания высокого давления.

Турбонагнетатель 9 низкого давления включает в себя турбину 10 и компрессор 12, приводимые в действие и вращаемые, соответственно, турбиной 10 низкого давления через вал 11. Вход 10а турбины низкого давления сообщается с выходом 2b турбины высокого давления турбонагнетателя 1 высокого давления через выпускную трубу 13 низкого давления, которая также называется выпускной трубой 13 турбины высокого давления. Выпускной коллектор 6 напрямую сообщается с входом 10а турбины низкого давления через трубу спрямления пути или перепускную трубу 17а (не показана на Фиг.1). Труба 17а спрямления пути содержит перепускной клапан 17 турбины высокого давления. Выход 12а компрессора низкого давления сообщается с входом 4b компрессора высокого давления турбонагнетателя 1 высокого давления через трубу 14 нагнетания низкого давления.

Выход 10b с колеса ротора турбины низкого давления соединен с дизельным сажевым фильтром DPF через секцию 10с соединительной трубы. Дизельный сажевый фильтр DPF соединяется с трубой 100 глушителя.

Выпускная труба 13 турбины высокого давления сообщается с выходом 10b турбины низкого давления через перепускную трубу 18 выпуска турбины низкого давления, которая имеет клапан 20 со сбрасывающей заслонкой.

Труба 14 нагнетания низкого давления сообщается с трубой 7 нагнетания высокого давления через перепускную трубу 21 нагнетания. Перепускная труба 21 нагнетания имеет контрольный клапан 22. Контрольный клапан 22 имеет функцию предоставления возможности прохождения потока из трубы 14 нагнетания низкого давления в трубу 7 нагнетания высокого давления, но предотвращает обратный поток.

Как лучше видно на Фиг.2-4, система турбонагнетателя двигателя согласно варианту осуществления изобретения содержит кожух 101 турбины, который частично отлит как одно целое, или выполнен, как одна отливка.

Кожух 101 турбины снабжен горловиной 102 нагнетателя низкого давления для приема или размещения турбонагнетателя 9 низкого давления и горловиной 103 нагнетателя высокого давления для приема или размещения турбонагнетателя 1 высокого давления. Горловина 102 нагнетателя низкого давления обеспечивает стыковку кожуха подшипника турбонагнетателя низкого давления с кожухом 111 подшипника низкого давления, а горловина 103 нагнетателя высокого давления обеспечивает стыковку кожуха подшипника турбонагнетателя высокого давления с кожухом 112 подшипника низкого давления.

Горловина 102 нагнетателя низкого давления и горловина 103 нагнетателя высокого давления сообщаются через выпускную трубу 13 низкого давления, которая содержится в виде канала в кожухе 101 турбины. Горловина 102 нагнетателя низкого давления и горловина 103 нагнетателя высокого давления содержат фланцы с болтами, при этом соединительные плоскости фланцев с болтами параллельны друг другу.

Клапан 20 со сбрасывающей заслонкой реализуется как контрольный клапан с вентильной заслонкой 104, которая лучше видна на Фиг.2. Клапан 20 со сбрасывающей заслонкой приводится в действие и вращается соответственно рычагом 19 управления, который приводится в действие пневматическим исполнительным механизмом 105 с широтно-импульсной модуляцией, лучше видным на Фиг.3.

Перепускной клапан 17 турбины высокого давления реализуется как контрольный клапан с вентильной заслонкой. Перепускной клапан 17 турбины высокого давления вращается рычагом 16 управления, который приводится в действие пневматическим исполнительным механизмом 106 с широтно-импульсной модуляцией, лучше видным на Фиг.3.

Для ясности и упрощения перепускная труба 21 нагнетания и контрольный клапан 22, которые приводятся в действие дополнительным пневматическим исполнительным механизмом с широтно-импульсной модуляцией, на Фиг.2-4 не показаны.

Как можно лучше всего видеть на Фиг.2 и 4, выпускная труба 5 высокого давления заканчивается выпускным фланцем 107 высокого давления, который соединен с соответствующим фланцем на выпускном коллекторе 6 с использованием фланцевых болтов 108. Аналогично этому, труба 17а спрямления пути заканчивается выпускным фланцем 109 спрямления пути, который присоединен к дополнительному соответствующему фланцу на выпускном коллекторе 6 с использованием фланцевых болтов 110.

Выпускной фланец 107 высокого давления и выпускной фланец 109 спрямления пути лежат в параллельных плоскостях и обращены в одну сторону.

Теперь ниже в этом документе должна быть описана работа вышеупомянутого варианта осуществления.

В системе турбонагнетателя двигателя согласно этому изобретению нагнетание, например, при 700 об/мин, подается турбонагнетателем 1 высокого давления и турбонагнетателем 9 низкого давления, установленным последовательно и ниже по потоку от турбонагнетателя 1 высокого давления. Перепускной клапан 17 турбины высокого давления, клапан 20 со сбрасывающей заслонкой и контрольный клапан 22 в этом состоянии закрыты.

С увеличением скорости вращения коленчатого вала двигателя производительность турбонагнетателя высокого давления должна ограничиваться, тем самым, ограничивая дополнительные показатели, подлежащие получению. Он также должен достичь максимальной допустимой повышенной скорости вращения.

В то же время рычаг 16 управления открывает перепускной клапан 17 турбины высокого давления для предоставления, тем самым, возможности прохождения части выпускных газов из выпускного коллектора 6 через трубу 17b спрямления пути в выпускную трубу 13 низкого давления. В это время прохождение потока и давление в выпускной трубе 5 высокого давления снабжает энергией турбонагнетатель 1 высокого давления, тем самым обуславливая производство давления нагнетания. В тоже самое время, прохождение потока и давление в выпускной трубе 13 низкого давления увеличивается вследствие прохождения потока и давления от трубы 17b спрямления пути и от выхода 2b турбины для снабжения энергией турбонагнетателя 9 низкого давления, таким образом, должно производиться давление нагнетания. Поэтому, давление в трубе 14 нагнетания высокого давления может регулироваться так, чтобы оно не превосходило разрешенного предела.

Когда двигатель выходит на 2000 об/мин, площадь отверстия перепускного клапана 17 достигает максимума, таким образом почти весь поток выпускного газа проходит через выпускной байпас 15 высокого давления в выпускную трубу 13 низкого давления, чтобы тем самым терять функцию снабжения энергией турбонагнетателя 1 высокого давления, при этом снабжая энергией турбонагнетатель 9 низкого давления, чтобы таким образом производить заранее заданное давление нагнетания. В это время почти весь поток нагнетания, выпущенный в трубу 14 нагнетания низкого давления, проходит через перепускную трубу 21 нагнетания в открытый контрольный клапан 22 и проходит в трубу 7 нагнетания высокого давления.

Когда скорость вращения коленчатого вала двигателя превосходит 2000 об/мин и турбонагнетатель низкого давления достигает своего предела, его необходимо защитить от превышения скорости. Поэтому рычаг 19 управления открывает клапан 20 со сбрасывающей заслонкой. При этом поддерживается максимально допустимое давление нагнетания двигателя.

Требуемое для двигателя количество воздуха при частичной нагрузке, например при 6000 об/мин, уменьшается. При нагрузке на двигатель или крутящем моменте ниже заранее заданного уровня перепускной клапан 17 турбины высокого давления не полностью открыт, и выпускной газ снабжает энергией турбину турбонагнетателя 1 высокого давления при прохождении в турбонагнетатель 9 низкого давления.

На Фиг.5-8 показаны трехмерные изображения с частичными вырезами кожуха 101 турбины, оснащенного заслонками клапанов, осями и рычагами перепускного клапана 17 турбины высокого давления и соответственно перепускного клапана 20 турбины, клапан 20 со сбрасывающей заслонкой.

Номера ссылочных позиций

1 турбонагнетатель высокого давления

1а вход турбины высокого давления

2 турбина высокого давления

2б выход турбины высокого давления

3 вал

4 компрессор высокого давления

4б вход компрессора

5 соединительная труба турбины высокого давления

6 выпускной коллектор

7 труба нагнетания высокого давления

7а промежуточный охладитель

8 впускной коллектор

9 турбонагнетатель низкого давления

10а вход турбины низкого давления

10 турбина низкого давления

10б выход турбины низкого давления

10с секция соединительной трубы

11 вал

12 компрессор низкого давления

12а выход компрессора низкого давления

13 соединительная труба турбины низкого давления

14 труба нагнетания низкого давления

17 перепускной клапан турбины высокого давления

17б перепускная труба турбины высокого давления

18 перепускное соединение турбины

19 рычаг управления

20 перепускной клапан турбины = клапан со сбрасывающей заслонкой

21 перепускное соединение компрессора высокого давления

22 контрольный клапан

100 труба глушителя

101 кожух турбины

102 стыковочный узел кожуха подшипника турбонагнетателя низкого давления

103 стыковочный узел кожуха подшипника турбонагнетателя высокого давления

104 вентильная заслонка

105 пневматический привод клапана со сбрасывающей заслонкой

106 пневматический исполнительный механизм перепуска турбины высокого давления

107 выпускной фланец турбины высокого давления

108 болт фланца

109 выпускной фланец турбины низкого давления

110 болт фланца

111 кожух подшипника низкого давления

112 кожух подшипника высокого давления

114 вентильная заслонка

DPF дизельный сажевый фильтр

Z цилиндр.

Изобретение относится к системе турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания. Кожух (101) турбины для турбонагнетателя (1) высокого давления системы турбонагнетателя двигателя для двигателя (Е) внутреннего сгорания содержит горловину (102) нагнетателя низкого давления для приема турбонагнетателя (9) низкого давления и горловину (103) нагнетателя высокого давления для приема турбонагнетателя (1) высокого давления. Выпускная горловина (107) высокого давления прикреплена к соответствующему фланцу на выпускном коллекторе (6) двигателя (Е) и имеется выпускная горловина (109) спрямления пути с зоной перепускного клапана (17) турбины высокого давления, прикрепленная к соответствующему фланцу на выпускном коллекторе (6). Горловина (10с) внешнего соединения прикреплена к глушителю, зона клапана (20) со сбрасывающей заслонкой нагнетателя оборудована непосредственно вблизи горловины (10с) внешнего соединения. Изобретение обеспечивает повышение мощности и снижение потерь тепла. 4 н.п. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Кожух (101) турбины системы турбонагнетателя двигателя для двигателя (Е) внутреннего сгорания, содержащий:
горловину (102) нагнетателя низкого давления для присоединения турбонагнетателя (9) низкого давления и горловину (103) нагнетателя высокого давления для присоединения турбонагнетателя (1) высокого давления, причем горловина (102) нагнетателя низкого давления и горловина (103) нагнетателя высокого давления сообщаются через выпускной тракт (13) низкого давления;
выпускную горловину (107) высокого давления, сообщающуюся через выпускной тракт (5) высокого давления с горловиной (103) нагнетателя высокого давления, причем выпускная горловина (107) высокого давления выполнена с возможностью прикрепления к соответствующему фланцу на выпускном коллекторе (6) двигателя (Е);
выпускную горловину (109) спрямления пути, сообщающуюся через тракт (17а) спрямления пути с горловиной (102) нагнетателя низкого давления, зону перепускного клапана (17) турбины высокого давления, расположенную в тракте (17а) спрямления пути, причем выпускная горловина (109) спрямления пути выполнена с возможностью прикрепления к соответствующему фланцу на выпускном коллекторе (6) двигателя (Е);
горловину (10с) внешнего соединения, выполненную с возможностью прикрепления к глушителю, причем горловина (10с) внешнего соединения сообщается с горловиной (102) нагнетателя низкого давления и дополнительно сообщается с выпускным трактом (13) через перепускной тракт (18) выпуска турбины низкого давления, причем перепускной тракт (18) выпуска турбины низкого давления снабжен зоной клапана (20) со сбрасывающей заслонкой,
отличающийся тем, что выпускной фланец (107) высокого давления и выпускной фланец (109) спрямления пути имеют поверхности, лежащие, по существу, в одном направлении, причем выпускной фланец (107) высокого давления и выпускной фланец (109) спрямления пути лежат, по существу, в параллельных плоскостях.

2. Кожух (101) турбины по п.1,
отличающийся тем, что выпускной тракт (13) низкого давления, выпускной тракт (5) высокого давления, тракт (17а) спрямления пути и/или перепускной тракт (18) выпуска турбины низкого давления выполнены как внутренние каналы в кожухе (101) турбины.

3. Кожух турбины по п.1, отличающийся тем, что выпускной фланец (107) высокого давления и выпускной фланец (109) спрямления пути лежат, по существу, в одной плоскости.

4. Кожух турбины по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что горловина (102) нагнетателя низкого давления и горловина (103) нагнетателя высокого давления лежат, по существу, в параллельных плоскостях.

5. Кожух (101) турбины по одному пп.1-3, отличающийся тем, что кожух турбины выполнен отлитым как одно целое.

6. Кожух (101) турбины по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что зона клапана (20) со сбрасывающей заслонкой нагнетателя является доступной, по меньшей мере, для одного процесса станочной обработки снаружи кожуха (101) турбины.

7. Кожух (101) турбины по п.6, отличающийся тем, что зона клапана (20) со сбрасывающей заслонкой нагнетателя расположена вблизи горловины (10с) внешнего соединения, чтобы был обеспечен доступ для процесса станочной обработки через горловину (10с) внешнего соединения.

8. Турбонагнетатель (1) высокого давления системы турбонагнетателя двигателя для двигателя (Е) внутреннего сгорания, содержащий:
кожух (101) турбины по одному из вышеупомянутых пунктов;
турбонагнетатель (9) низкого давления с колесом ротора турбины низкого давления, расположенным в горловине (102) нагнетателя низкого давления, и турбонагнетатель (1) с колесом ротора турбины высокого давления, расположенным в горловине (103) нагнетателя высокого давления, причем колесо ротора турбины низкого давления и колесо ротора турбины высокого давления обращены друг к другу;
перепускной клапан (17) турбины высокого давления, расположенный в тракте (17а) спрямления пути;
клапан (20) со сбрасывающей заслонкой, размещенный в перепускном тракте (18) выпуска турбины низкого давления.

9. Турбонагнетатель (1), по п.8, отличающийся тем, что
перепускной клапан (17) турбины высокого давления и/или клапан (20) со сбрасывающей заслонкой содержат перемещаемую заслонку.

10. Турбонагнетатель (1) по п.8 или 9, отличающийся тем, что для перемещения заслонки между открытым и закрытым положением оборудован пневматический дополнительный механизм с широтно-импульсной модуляцией.

11. Двигатель (Е) внутреннего сгорания с турбонагнетателем (1) высокого давления по одному из пп.8-10, в котором выпускная горловина (107) высокого давления прикреплена к соответствующему фланцу на выпускном коллекторе (6) двигателя (Е), выпускная горловина (109) спрямления пути прикреплена к соответствующему фланцу на выпускном коллекторе (6).

12. Транспортное средство с двигателем (Е) внутреннего сгорания по п.11, в котором горловина (10с) внешнего соединения прикреплена к секции глушителя транспортного средства.