ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК F02B37/13 F02B29/04 

Изобретение относится к поршневому двигателю согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, содержащему турбокомпрессор низкого давления и турбокомпрессор высокого давления, которые расположены на консоли, прикрепленной к блоку цилиндров.

В больших поршневых двигателях с турбонаддувом, которые используются в силовых агрегатах и в качестве основных и вспомогательных двигателей кораблей, турбонаддув часто осуществляется в две ступени, сначала компрессором низкого давления и затем компрессором высокого давления. Между ступенями турбонаддува и после компрессора высокого давления, наддувочный воздух охлаждается перед пропусканием его к цилиндрам двигателя. Турбонаддув может осуществляться в целых три отдельные ступени. В больших двигателях, турбокомпрессоры и охладители наддувочного воздуха имеют большие размеры, и их тяжело разместить вместе с двигателем. Это особенно проблематично в V-образных двигателях, в которых оба ряда цилиндров могут иметь свои турбокомпрессор низкого давления, турбокомпрессор высокого давления и охладители наддувочного воздуха.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованного решения для расположения турбокомпрессоров и охладителей наддувочного воздуха совместно с поршневым двигателем.

Задачи изобретения решаются способом, описанным в пункте 1 формулы изобретения. Поршневой двигатель согласно изобретению содержит блок цилиндров, к которому прикреплена консоль. Турбокомпрессор низкого давления и турбокомпрессор высокого давления расположены на консоли. Более того, двигатель содержит охладитель наддувочного воздуха низкого давления для охлаждения наддувочного воздуха низкого давления, нагнетаемого турбокомпрессором низкого давления, и охладитель наддувочного воздуха высокого давления для охлаждения наддувочного воздуха высокого давления, нагнетаемого турбокомпрессором высокого давления. Консоль содержит воздушный корпус, который включает в себя полость низкого давления для наддувочного воздуха низкого давления и полость высокого давления для наддувочного воздуха высокого давления. Охладитель наддувочного воздуха низкого давления расположен в полости низкого давления, и охладитель наддувочного воздуха высокого давления расположен в полости высокого давления.

Изобретение обеспечивает множество преимуществ. Турбокомпрессоры, воздушный корпус и охладители наддувочного воздуха расположены на консоли или составляют единое целое с консолью, вследствие чего оборудование турбокомпрессора легко разместить вместе с двигателем. Более того, соединительные каналы между компонентами могут быть выполнены короткими, снижая вес оборудования турбокомпрессора. Центр тяжести консоли может быть расположен вблизи блока цилиндров, что снижает проблемы вибрации оборудования турбокомпрессора. В этом случае, как оборудование турбокомпрессора, так и двигатель работают лучше и более надежно.

В одном варианте выполнения изобретения, полость низкого давления воздушного корпуса расположена вокруг полости высокого давления, например, по обе стороны и в конце полости высокого давления. В этом случае, перепад давления на стенке между полостями высокого давления и низкого давления меньше, чем в воздушном корпусе, в котором давление атмосферного воздуха действует на другую сторону стенки полости высокого давления. Вследствие меньшего перепада давления, стенки полости высокого давления могут быть выполнены тоньше, что снижает вес консоли и любые вытекающие проблемы. В целях безопасности, например, в случае утечки, также предпочтительно, чтобы воздушная полость высокого давления была расположена в центре воздушного корпуса и была окружена воздушной полостью низкого давления. Расположение также заглушает звуки полости высокого давления, которые слышны снаружи воздушного корпуса.

Далее, изобретение описано в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный вид поршневого двигателя с двухступенчатым турбонаддувом;

Фиг.2 показывает вид сверху блока цилиндров поршневого двигателя по Фиг.1, и прикрепленная к нему консоль; и

Фиг.3 показывает частичное сечение консоли по Фиг.2.

Фиг.1 схематичный вид поршневого двигателя 2, который имеет двухступенчатый турбонаддув. Двигатель является большим поршневым двигателем, который используется, например, в качестве основного или вспомогательного двигателя кораблей или в силовых установках. Двигатель 2 является V-образным. Двигатель 2 содержит два турбокомпрессора 3 низкого давления, причем каждый из них снабжен компрессором 4 низкого давления и турбиной 5 низкого давления. Двигатель 2 дополнительно содержит два турбокомпрессора 6 высокого давления, причем каждый из них снабжен компрессором 7 высокого давления и турбиной 8 высокого давления. Между компрессорами 4 низкого давления и компрессорами 7 высокого давления, расположены охладители 19 наддувочного воздуха низкого давления, которые используются для охлаждения наддувочного воздуха, нагнетаемого компрессорами 4 низкого давления, перед пропусканием его к компрессорам 7 высокого давления. Между компрессорами 7 высокого давления и цилиндрами 10 двигателя, расположены охладители 20 наддувочного воздуха высокого давления, которые охлаждают наддувочный воздух, нагнетаемый компрессорами 7 высокого давления, перед пропусканием его к цилиндрам 10. Генераторное оборудование 13 присоединено к двигателю 2.

Консоль 12 прикреплена к блоку 14 цилиндров двигателя, на этой консоли расположены турбокомпрессоры 3 низкого давления и турбокомпрессоры 6 высокого давления. Турбокомпрессоры 3 низкого давления расположены в ряд и ближе к блоку 14 цилиндров, чем турбокомпрессоры 6 высокого давления. Турбокомпрессоры 3 низкого давления частично расположены над блоком 14 цилиндров. Турбокомпрессоры 3 низкого давления являются осевыми компрессорами, и турбокомпрессоры 6 высокого давления являются радиальными компрессорами.

Конструкция консоли подробно показана на Фиг.2 и 3. Фиг.2 показывает консоль без кожуха. Консоль 12 содержит воздушный корпус 15 для воздуха горения двигателя. Воздушный корпус 15 расположен в нижней секции консоли 12, под турбокомпрессором 3 низкого давления и турбокомпрессором 6 высокого давления. Воздушный корпус 15 является несъемной деталью консоли 12, то есть, он выполнен за одно целое с консолью 12. Воздушный корпус 15 содержит полость 16 низкого давления для наддувочного воздуха, нагнетаемого компрессорами 5 низкого давления, и полость 17 высокого давления для наддувочного воздуха, нагнетаемого компрессорами 8 высокого давления. Охладители 19 наддувочного воздуха низкого давления расположены в полости 16 низкого давления, и охладители 20 наддувочного воздуха высокого давления - в полости 17 высокого давления. Консоль 12 может быть изготовлена отливкой.

Полость 16 низкого давления, по меньшей мере, частично расположена вокруг полости 17 высокого давления, в силу чего давление, превалирующее в полости 16 низкого давления, действует на стенку полости высокого давления. Полость 16 низкого давления и полость 17 высокого давления имеют, по меньшей мере, одну общую разделительную стенку. В варианте выполнения, показанном на чертежах, полость 16 низкого давления расположена по обе стороны от полости 17 высокого давления. Более того, полость 16 низкого давления расположена в конце полости 17 высокого давления. В этом случае, давление, превалирующее в полости 16 низкого давления, действует, как на боковые стенки, так и на заднюю стенку полости 17 высокого давления. Секции полости 16 низкого давления на сторонах полости 17 высокого давления соединены по потоку друг с другом через секцию полости 16 низкого давления в конце полости 17 высокого давления. При работающем двигателе 2, давление наддувочного воздуха в полости 17 высокого давления составляет около 8 бар или до 10-16 бар. Давление наддувочного воздуха в полости 16 низкого давления составляет около 4 бар, в силу чего перепад давления на стенке между полостью 17 высокого давления и полостью 16 низкого давления составляет около 4 бар или до 6-10 бар. Следовательно, стенки между полостью 17 высокого давления и полостью 16 низкого давления могут быть выполнены тоньше, чем в варианте выполнения, в котором атмосферное давление действует непосредственно на стенку полости 17 высокого давления, в силу чего перепад давления на стенке полости 17 высокого давления составляет около 8 бар или до 10-16 бар. Полость 17 высокого давления разделена на две отдельные секции разделительной стенкой 18. Конец воздушного корпуса 15 может быть открытым, в силу чего охладители наддувочного воздуха могут обслуживаться и удаляться из воздушного корпуса 15 через конец.

Охладитель 20 наддувочного воздуха высокого давления расположен в обеих секциях полости 17 высокого давления. Охладитель 19 наддувочного воздуха низкого давления расположен в полости 16 низкого давления с обеих сторон от полости высокого давления. Охладитель 20 наддувочного воздуха высокого давления и охладитель 19 наддувочного воздуха низкого давления присоединены к контуру теплоносителя двигателя 2. На крышке воздушного корпуса 15 имеются впускные отверстия 21 для пропускания наддувочного воздуха, поступающего из компрессоров 4 низкого давления, в полость 16 низкого давления, и выпускные отверстия 22 для отведения охлажденного наддувочного воздуха из полости 16 низкого давления. Более того, воздушный корпус 15 содержит вторые впускные отверстия 23 для пропускания наддувочного воздуха, поступающего из компрессоров 7 высокого давления в полость 17 высокого давления. Полость 17 высокого давления содержит вторые выпускные отверстия для отведения охлажденного наддувочного воздуха из полости 17 высокого давления. Выпускные отверстия 22 расположены вблизи наружного конца воздушного корпуса 15, и впускные отверстия 21 - вблизи конца со стороны двигателя воздушного корпуса 15. Вторые впускные отверстия 23 расположены вблизи наружного конца воздушного корпуса 15. Выпускные отверстия 22 и вторые впускные отверстия 23 соединены с компрессорами 7 высокого давления соединительными каналами. Впускные отверстия 21 соединены с компрессорами 5 низкого давления соединительными каналами.

При работающем двигателе 2, воздух для камеры горения проводится к компрессорам 4 низкого давления, посредством которых его давление поднимается до около 4 бар. Затем, наддувочный воздух низкого давления пропускается в полость 16 низкого давления, где он охлаждается охладителями 19 наддувочного воздуха низкого давления. Охлажденный наддувочный воздух пропускается из полости 16 низкого давления к компрессорам 7 высокого давления, посредством которых давление наддувочного воздуха поднимается до около 8 бар. Затем, наддувочный воздух высокого давления пропускается к полости 17 высокого давления и охлаждается охладителями 20 наддувочного воздуха высокого давления. Охлажденный наддувочный воздух высокого давления пропускается из полости 17 высокого давления к цилиндрам 10 для использования в качестве воздуха для горения. Наддувочный воздух охлаждается теплоносителем двигателя, который пропускается к охладителям 19, 20 наддувочного воздуха. Выхлопной газ пропускается из цилиндров 10 через турбины 8 высокого давления и затем через турбины 5 низкого давления. Турбина 8 высокого давления приводит в действие компрессор 7 высокого давления, и турбина 5 низкого давления приводит в действие компрессор 4 низкого давления.

Изобретение содержит варианты выполнения, которые отклоняются от вышеизложенного.

Вместо двух отдельных ступеней, турбонаддув может осуществляться в три отдельных ступени. В этом случае, воздушный корпус включает в себя полости для трех различных уровней давления наддувочного воздуха. Воздушная полость с наибольшим уровнем давления помещена в центре, и полости с более низкими уровнями давления - вокруг этой полости.

Двигатель 2 может являться рядным двигателем.

Двигатель 2 может быть снабжен только одним турбокомпрессором 3 низкого давления и только одним турбокомпрессором 6 высокого давления. В этом случае, имеется только один охладитель 19 наддувочного воздуха низкого давления и один охладитель 20 наддувочного воздуха высокого давления. Сплошная полость высокого давления может быть расположена в центре воздушного корпуса 15, и полость низкого давления вокруг нее, аналогично варианту выполнения согласно чертежам.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с двухступенчатым наддувом. Поршневой двигатель (14), содержащий блок цилиндров, к которому прикреплена консоль, турбокомпрессор низкого давления, расположенный на консоли, и турбокомпрессор высокого давления, расположенный на консоли. Двигатель содержит охладитель (19) наддувочного воздуха низкого давления для охлаждения наддувочного воздуха низкого давления, который нагнетается турбокомпрессором низкого давления, и охладитель (20) наддувочного воздуха высокого давления для охлаждения наддувочного воздуха высокого давления, нагнетаемого турбокомпрессором высокого давления. Консоль содержит воздушный корпус (15), который содержит полость (16) низкого давления для наддувочного воздуха низкого давления и полость (17) высокого давления для наддувочного воздуха высокого давления, причем охладитель (19) наддувочного воздуха низкого давления расположен в полости (16) низкого давления, и охладитель (20) наддувочного воздуха высокого давления расположен в полости (17) высокого давления. Технический результат заключается в улучшении массогабаритных показателей конструкции. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Поршневой двигатель (2), содержащий блок (14) цилиндров, к которому прикреплена консоль (12), турбокомпрессор (3) низкого давления, расположенный на консоли (12), и турбокомпрессор (6) высокого давления, расположенный на консоли (12), охладитель (19) наддувочного воздуха низкого давления для охлаждения наддувочного воздуха низкого давления, нагнетаемого турбокомпрессором (3) низкого давления, и охладитель (20) наддувочного воздуха высокого давления для охлаждения наддувочного воздуха высокого давления, нагнетаемого турбокомпрессором (6) высокого давления, причем консоль (12) содержит воздушный корпус (15), который включает в себя полость (16) низкого давления для наддувочного воздуха низкого давления и полость (17) высокого давления для наддувочного воздуха высокого давления, причем охладитель (19) наддувочного воздуха низкого давления расположен в полости (16) низкого давления, и охладитель (20) наддувочного воздуха высокого давления расположен в полости (17) высокого давления, отличающийся тем, что воздушный корпус (15) выполнен за одно целое с консолью (12).

2. Двигатель (2) по п.1, отличающийся тем, что полость (17) высокого давления и полость (16) низкого давления содержат, по меньшей мере, одну общую разделительную стенку.

3. Поршневой двигатель (2) по п.2, отличающийся тем, что полость (16) низкого давления, по меньшей мере, частично расположена вокруг полости (17) высокого давления.

4. Поршневой двигатель (2) по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что полость (16) низкого давления расположена по обе стороны от полости (17) высокого давления.

5. Поршневой двигатель (2) по п.4, отличающийся тем, что полость (16) низкого давления расположена в конце полости высокого давления.

6. Поршневой двигатель (2) по п.5, отличающийся тем, что секции полости (16) низкого давления на сторонах полости (17) высокого давления соединяются по потоку друг с другом через секцию полости (16) низкого давления в конце полости высокого давления.

7. Поршневой двигатель (2) по п.1, отличающийся тем, что два турбокомпрессора (3) низкого давления и два турбокомпрессора (6) высокого давления расположены на консоли (12).

8. Поршневой двигатель (2) по п.7, отличающийся тем, что два охладителя (19) наддувочного воздуха низкого давления расположены в полости (16) низкого давления, и два охладителя (20) наддувочного воздуха высокого давления расположены в полости (17) высокого давления.

9. Поршневой двигатель (2) по п.8, отличающийся тем, что охладители (20) наддувочного воздуха высокого давления расположены в ряд, и охладители (19) наддувочного воздуха низкого давления расположены по их сторонам.