Система газотурбинного наддува ДВС с устройством для преодоления «турбоямы» Российский патент 2024 года по МПК F02B37/12 F02G5/02 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам для воздухоподачи двигателя внутреннего сгорания (ДВС), оснащённых системой газотурбинного наддува.

Известно устройство «Система наддува впускного тракта двигателя внутреннего сгорания с использованием энергии отработавших газов» (патент US № 20120060493, МПК F02G 3/00, опубл. 04.03.2014), содержащее гибридный двигатель внутреннего сгорания, имеющий цилиндр, поршень, расположенный внутри цилиндра, поршень, сконструированный и приспособленный для возвратно-поступательного движения внутри цилиндра, и камеру сгорания, образованную цилиндром и верхней частью поршня. Гибридный двигатель внутреннего сгорания также включает в себя выпускной коллектор и теплообменник, расположенный внутри выпускного коллектора. Насос, расположенный между теплообменником и резервуаром для жидкости, предназначен для подачи жидкости из резервуара в теплообменник, в результате чего жидкость в теплообменнике нагревается и превращается в газ высокого давления (HPG), когда газы сгорания выходят из теплообменника. камеру сгорания через выпускной коллектор. Полученный HPG затем может быть введен в камеру сгорания, чтобы обеспечить рабочий ход HPG.

Недостатками данного устройства являются высокая конструктивная сложность и громоздкость, малый ресурс турбинной системы, малая мощность парового турбинного колеса.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство «Система наддува впускного тракта двигателя внутреннего сгорания с использованием отработавших газов» (патент РФ №2572154, МПК F02B 37/00, F02G 5/02, опубл. 27.12.2015, бюл. №36), содержащее выпускной клапан двигателя, от которого отходит газовод выпускного тракта. Внутри выпускного тракта расположен змеевик-теплообменник, в который закачивается насосом высокого давления парообразующая жидкость из резервуара. Противоположный от насоса для подачи воды конец змеевика-теплообменника заканчивается соплом.

Недостатки известного устройства заключаются в значительной конструктивной сложности и стоимости, в невозможности регулирования подачи перегретого пара на лопатки турбинного колеса турбокомпрессора, трудности при работе данного устройства в условиях пониженных температур окружающего воздуха, а также в невозможности накопления запаса перегретого пара для мгновенной подачи его на лопатки турбинного колеса турбокомпрессора, что неизбежно ведёт к задержке разгона турбинного колеса и жестко связанного с ним колеса компрессора, и соответственно подачи сжатого воздуха в ДВС.

В условиях стохастичности нагрузок, например, при работе трактора на вспашке, при резком увеличении нагрузки обороты коленчатого вала ДВС падают, нажимая на педаль управления ТНВД (топливный насос высокого давления), подавая дополнительное количество топлива в цилиндры ДВС оснащённого газотурбинным наддувом, стараясь повысить обороты коленчатого вала ДВС, из выхлопной трубы вырывается чёрный дым, но увеличение оборотов ДВС оказывается незначительным, т.к. турбокомпрессор, обладая инерционностью, не может мгновенно раскрутиться и подать большее количества воздуха для сгорания дополнительного количества топлива, поданного в цилиндры ДВС в результате нажатия на педаль управления ТНВД. Это явление называется «турбоямой», т.е. задержкой увеличения подачи воздуха компрессором турбокомпрессора. Последствия этого явления приводят к неполному сгоранию топлива в цилиндрах ДВС, выбросу в атмосферу канцерогенов, перегреву ДВС, снижению производительности трактора, а также повышенному расходу топлива и снижению ресурса ДВС и турбокомпрессора.

Технический результат заявленного изобретения заключается в преодолении стохастичности нагрузочного момента на маховике ДВС, устранении явления «турбоямы» на ДВС, оснащённых системой газотурбинного наддува, а также в увеличении срока службы системы газотурбинного наддува и всего ДВС.

Указанный технический результат достигается тем, что система газотурбинного наддува ДВС с устройством для преодоления «турбоямы», состоящая из выходного патрубка турбокомпрессора, связанного с глушителем, при этом в указанном выходном патрубке расположен змеевик-теплообменник с возможностью образования пара из парообразующей жидкости, и из выхлопного патрубка, идущего от выпускного коллектора к турбине, внутри указанного выхлопного патрубка расположен змеевик-теплообменник с возможностью получения в нем перегретого пара, при этом глушитель помещен в герметичный резервуар-термос с запасом парообразующей жидкости в полости, образованной между корпусом глушителя и внутренней оболочкой резервуара-термоса, который также содержит предохранительный клапан для сброса избыточного давления, также резервуар-термос соединен с паровым соплом через запорный кран-клапан и указанные змеевики-теплообменники, а также система содержит электронный блок управления двигателем, соединенный с запорным краном-клапаном, датчиком, установленным на коленчатом валу двигателя, и датчиком давления наддувочного воздуха, установленным в нагнетательном патрубке, и выполненный с возможностью автоматического регулирования подачи перегретого пара.

Заявленное изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема работы системы заявленного устройства.

Система газотурбинного наддува ДВС с устройством для преодоления «турбоямы» включает в себя ДВС 1, выхлопной патрубок 2 которого связан с входом турбины 3 турбокомпрессора 4, а выходной патрубок 5 турбокомпрессора 4 связан с глушителем 6, который помещён в герметичный резервуар-термос 7, между корпусом глушителя и внутренней оболочкой резервуара-термоса 7 образуется полость 8, которую заполняют парообразующей жидкостью (водой) 9. Корпус резервуара-термоса 7 имеет многослойную структуру: слой теплоизоляции 10 и вакуумную полость 11, что позволяет максимально снизить теплообмен с окружающей средой. Также в корпусе резервуара-термоса 7 имеется заливная горловина 12 для пополнения запасов парообразующей жидкости (воды) 9 под давлением. Также в резервуаре-термосе 7 имеется предохранительный клапан 13 для сброса избыточного давления в резервуаре-термосе 7 и предотвращения его разрыва. В нижней части резервуара-термоса 7 имеется выходное отверстие для парообразующей жидкости 14, это отверстие связано со змеевиком-теплообменником 15, который установлен в выходном патрубке 5 турбины 3 турбокомпрессора 4, в свою очередь этот змеевик-теплообменник 15 своим выходным концом связан с входом змеевика-теплообменника 16, установленного выхлопном патрубке 2 отработавших газов ДВС 1, выходной патрубок этого змеевика-теплообменника 16 связан с запорным краном-клапаном 17, а он в свою очередь связан с паровым соплом 18, установленным в выхлопном патрубке 2 отработавших газов ДВС 1. Запорный кран-клапан 17 связан с электронным блоком управления двигателем (ЭБУ) 19, получающим управляющий сигнал от датчика, установленного на коленчатом валу ДВС 1, а также от датчика давления наддувочного воздуха (на чертеже не показан), установленного в нагнетательном патрубке 20 ДВС 1. Также запорный кран-клапан 17 имеет связь через пружину с педалью акселератора в кабине машиниста (на чертеже не показано).

Система работает следующим образом. При работе ДВС 1 выхлопные газы, поступая в турбину 3 турбокомпрессора 4, а затем в глушитель 6, который нагреваясь отдаёт тепло парообразующей жидкости (воде) 9 внутри резервуара-термоса 7. Расширяясь парообразующая жидкость 9 поступает в змеевик-теплообменник 15, находящийся в выпускном патрубке 5 турбины 3 турбокомпрессора 4. Парообразующая жидкость (вода) 9, испаряясь, превращается в насыщенный пар, который, расширяясь, вытесняется во второй змеевик-теплообменник 16, находящийся во выхлопном патрубке 2 отработавших газов ДВС 1, в этом змеевике-теплообменнике 16 происходит дальнейшее повышение температуры пара и он переходит в фазу перегретого пара. Дальнейшему продвижению пара препятствует запорный кран-клапан 17. При нажатии на педаль акселератора (на чертеже не указан) увеличивается подача топлива в цилиндры ДВС 1, в это же время педаль акселератора, связанная с запорным краном-клапаном 17, открывает его, и перегретый пар устремляется на лопатки турбинного колеса турбины 3 турбокомпрессора 4, вызывая его интенсивный разгон. Перегретый пар, отдавая свою энергию турбине 3, позволяет быстрее преодолеть порог наддува, и, тем самым, нивелировать явление «турбоямы», и связанную с этим стохастичность нагрузочного момента на маховике ДВС 1, дополнительно наряду с этим выхлоп ДВС становится более экологически чистым. Увеличение оборотов ДВС 1 при нажатии педали акселератора является более быстрым, благодаря накопленному объёму пара в резервуаре-термосе 7 и змеевиках-теплообменниках 15 и 16. При выходе турбокомпрессора 4 на рабочий режим (разгон до номинальной частоты его ротора) ЭБУ 19, связанный с коленчатым валом ДВС 1 и с датчиком нагнетательного патрубка 20 ДВС 1, регулирует (уменьшает) подачу пара в сопло 18.

При возникновении перегрузки (в результате стохастичности нагрузочного момента) обороты коленчатого вала ДВС 1, и, соответственно, обороты ротора турбокомпрессора 4 и давление наддува в патрубке 20 падают, ЭБУ 19 по сигналу датчика давления наддува (установлен в патрубке 20 и на чертеже не показан) дает команду на увеличение подачи пара запорным краном-клапаном 17 на лопатки турбины 3 турбокомпрессора 4. При нажатии на педаль управления ТНВД (на чертеже не указан) увеличивается подача топлива в цилиндры ДВС 1, одновременно с этим педаль акселератора воздействует на запорный кран-клапан 17, посредством ЭБУ 19, открывая его и, тем самым, подавая пар через сопло 18 на вход турбины 3 турбокомпрессора 4, вызывая разгон турбинного колеса, и жестко связанного с ним через вал ротора турбокомпрессора насосного колеса компрессора турбокомпрессора 4, вызывая увеличение подачи сжатого воздуха в цилиндры ДВС 1. Получив дополнительную порцию воздуха ДВС 1 мгновенно раскручивается и преодолевает возникшее сопротивление, и соответственно давление наддувочного воздуха в патрубке 20, давление в свою очередь воздействует на датчик давления наддува (установлен в патрубке 20 и на рисунке не показан) и соответственно на ЭБУ 19 и на запорный кран-клапан 17 устройства. В дальнейшем запорный кран-клапан 17 закрывается, прекращая подачу перегретого пара. Таким образом, происходит преодоление явление «турбоямы», автоматическое регулирование подачи перегретого пара, а также преодоление стохастичности нагрузочного момента. При работе турбокомпрессора 4 и ДВС 1 на установившемся режиме, когда не требуется подача пара в турбину 3 турбокомпрессора 4, избыток пара через предохранительный клапан 13 подаётся в выходную трубу 21 глушителя 6 через патрубок 22, что способствует более экологически чистому выхлопу.

Система газотурбинного наддува ДВС с устройством для преодоления «турбоямы» представляет собой интерес для двигателестроения, так как использование предлагаемого устройства позволяет преодолевать стохастичность нагрузочного момента на маховике ДВС, устранить явление «турбоямы» на ДВС, оснащённых системой газотурбинного наддува, а также увеличить срок службы системы газотурбинного наддува и всего ДВС в целом.

Изобретение относится к двигателестроению. Система газотурбинного наддува ДВС с устройством для преодоления «турбоямы» состоит из выходного патрубка (5) турбокомпрессора (4), связанного с глушителем (6). В указанном выходном патрубке (5) расположен змеевик-теплообменник (15). Внутри выхлопного патрубка (2) расположен змеевик-теплообменник (16) с возможностью получения в нем перегретого пара. Глушитель (6) помещен в герметичный резервуар-термос (7) с запасом парообразующей жидкости (9) в полости (8), образованной между корпусом глушителя (6) и внутренней оболочкой резервуара-термоса (7), который также содержит предохранительный клапан (13). Резервуар-термос (7) соединен с паровым соплом (18) через запорный кран-клапан (17) и указанные змеевики-теплообменники (15, 16). Система содержит электронный блок (19) управления двигателем, соединенный с запорным краном-клапаном (17), датчиком, установленным на коленчатом валу, и датчиком давления наддувочного воздуха, установленным в нагнетательном патрубке (20), и выполненный с возможностью автоматического регулирования подачи перегретого пара. Технический результат заключается в устранении явления «турбоямы» на ДВС, оснащённых системой газотурбинного наддува, а также в увеличении срока службы системы газотурбинного наддува и всего ДВС. 1 ил.

Система газотурбинного наддува ДВС с устройством для преодоления «турбоямы», состоящая из выходного патрубка турбокомпрессора, связанного с глушителем, при этом в указанном выходном патрубке расположен змеевик-теплообменник с возможностью образования пара из парообразующей жидкости, и из выхлопного патрубка, идущего от выпускного коллектора к турбине, внутри указанного выхлопного патрубка расположен змеевик-теплообменник с возможностью получения в нем перегретого пара, при этом глушитель помещен в герметичный резервуар-термос с запасом парообразующей жидкости в полости, образованной между корпусом глушителя и внутренней оболочкой резервуара-термоса, который также содержит предохранительный клапан для сброса избыточного давления, также резервуар-термос соединен с паровым соплом через запорный кран-клапан и указанные змеевики-теплообменники, а также система содержит электронный блок управления двигателем, соединенный с запорным краном-клапаном, датчиком, установленным на коленчатом валу двигателя, и датчиком давления наддувочного воздуха, установленным в нагнетательном патрубке, и выполненный с возможностью автоматического регулирования подачи перегретого пара.