Система наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с использованием свободнопоршневого генератора газа (СПГГ) Российский патент 2024 года по МПК F02B33/02 F02B37/04 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, способам создания высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания, свободнопорншевым двигателям, свободнопоршневым генераторам газа.

Предполагаемая область применения изобретения - судовые двигатели (причальные и рулевые режимы), специальные двигатели, сочетающие высокую литровую мощность, режим форсажа и экономичность во всем диапазоне рабочих режимов.

Задача увеличения мощности поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) решается двумя методами: увеличением рабочего объема цилиндров или увеличением подаваемого в камеру сгорания объема топливовоздушной смеси. В современных условиях ужесточения экологических требований к ДВС, метод увеличения рабочего объема цилиндров практически не используется. Перспективным направлением развития двигателестроения является создание форсированных ДВС, в которых увеличение мощности достигается реализацией технических решений для принудительного увеличения подаваемого в цилиндры количества воздуха или топливовоздушной смеси.

В известных схемах газотурбинного наддува ДВС количество подаваемой в цилиндр топливовоздушной смеси увеличивается за счет предварительного сжатия воздуха в компрессоре с приводом от коленчатого вала двигателя (механический компрессор), от электродвигателя (электрический компрессор), или от колеса турбины на одном валу с колесом компрессора, приводимом, в свою очередь, от выхлопных газов поршневого двигателя (турбокомпрессоры с газовой связью) [«Двигатели внутреннего сгорания» Т. IV-14 / Л.В. Грехов, Н.А. Иващенко, В.А. Марков и др.; под общ. ред. А.А. Александрова и Н.А. Иващенко, 2013 г. ]. Основные проблемы подобных схем заключаются в отсутствии тяги на режимах малой нагрузки вследствие недостатка газа для раскрутки колеса турбины («турбояма»), а также существенный рост максимальных давлений цикла в цилиндре [В.В. Махалдиани «Двигатели внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия»].

Известны схемы регистрового наддува, подразумевающие последовательную установку не менее двух турбокомпрессоров с возможностью отключения одного или нескольких агрегатов наддува [RU 194589 U1]. Такие схемы обеспечивают лучшую топливную экономичность при некотором ухудшении разгонной динамики, однако требуют установку высококачественных турбокомпрессоров с малой инерционностью и характеризуются высокой стоимостью.

Известны комбинированные двигатели внутреннего сгорания с системой наддува «ГИПЕРБАР» (HYPERBAR) [Н.Н. Патрахальцев, А.А. Савастенко «Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом», 2007 г.; US 2008/008 3328 А1]. В этом случае к газовой турбине помимо выпускных газов от ДВС воздух подводится напрямую от компрессора. Подогрев воздуха на входе в турбину осуществляется как от выхлопных газов ДВС, так и за счет сжигания части топлива в дополнительной камере сгорания, устанавливаемой перед турбиной. Подобная схема характеризуется высокими значениями давления наддува, что позволяет обеспечить высокие средние эффективные давления при существенно сниженной геометрической степени сжатия в ДВС. Обеспечивается также хорошая приемистость двигателя за счет поддержания высоких давлений наддува на режимах малых нагрузок. Основными недостатками схемы «ГИПЕРБАР» (HYPERBAR) являются повышенный расход топлива на режимах малых нагрузок вследствие низкой степени сжатия дизеля и необходимости поддерживать постоянный процесс горения топлива в дополнительной камере сгорания, а также необходимость подогрева впускного воздуха при пуске холодного двигателя.

Техническая проблема заключается в обеспечении высокой эффективности комбинированной силовой установки, а также повышении тяги на низких оборотах (ее недостаток характерен для традиционных поршневых ДВС с газотурбинным наддувом), при ограниченном росте или даже снижении нагрузок на детали цилиндропоршневой группы ДВС без увеличения расхода топлива на режимах малых нагрузок, а также устойчивых пусках двигателя без использования дополнительного подогрева заряда на впуске.

Авторы предлагают решить эту проблему, используя в качестве агрегата наддува свободнопоршневой генератор газа.

Известны различные конструкции свободнопоршневых двигателей (СПД) и свободнопоршневых генераторов газа (СПГГ) [RU 2800197 С1; «Свободнопоршневые генераторы газа для газотурбинных установок», авторы: Кошкин В.Г., Майзель Л.М., Черномордик Б.М., 1963 г.]. В СПД и СПГГ поршни не имеют жесткой связи с картером двигателя и перемещаются в цилиндрах свободно под совокупным воздействием газовых сил в цилиндре и буфере, а также сил инерции и трения. Классические СПД и СПГГ предполагают совершение полезной работы на объемную расширительную машину, в качестве которой выступает турбина или поршневая машина.

Из известных агрегатов системы наддува ДВС наиболее близким по технической сущности и по достигаемому результату является механизм, описанный в RU 2324058 С1, выбранный авторами в качестве прототипа. Известная система наддува содержит впускной канал, турбокомпрессор, впускной коллектор, двигатель внутреннего сгорания, выпускной коллектор, соединительный канал, глушитель, выпускной канал, при этом выпускной канал скреплен с наиболее узкой проточной частью воздушного диффузора. Такая схема предполагает обеспечение высокой удельной мощности ДВС за счет дополнительного разрежения на выходе из турбины, однако ее недостатком является отсутствие тяги на режимах низкой нагрузки и существенный рост максимального давления сгорания при реализации цикла с высокими степенями повышения давления в турбокомпрессоре.

Задачей предлагаемого изобретения является замещение турбокомпрессора модернизированным вариантом классического (СПГГ) с компрессорными и буферными полостями, скомпонованными в общем корпусе, с целью использования его в качестве агрегата наддува или одной из ступеней наддува традиционного поршневого двигателя. При модернизации классического варианта (СПГГ) увеличивают объем ресивера и обеспечивают отвод воздуха из ресивера или компрессорных полостей СПГГ на вход в ДВС. Объем ресивера СПГГ должен увеличиваться на 3-5 рабочих объемов ДВС, в зависимости от типа ДВС

Аналогично механизму, описанному в RU 2 324 058 С1, предлагаемая система обеспечивает повышение давления наддувочного воздуха на входе в ДВС, тем самым увеличивая наполнение цилиндров и эффективность рабочего процесса двигателя.

В отличие от механизма, описанного в RU 2 324 058 С1, предлагаемая конструкция агрегата наддува обладает преимуществом с точки зрения обеспечения более высоких степеней повышения давления на входе в двигатель и возможности осуществления цикла, аналогичного ДВС с системой наддува «ГИПЕРБАР» (HYPERBAR) с высокими средними эффективными давлениями при ограниченных максимальных давлениях цикла.

В сравнении с известной системой наддува «ГИПЕРБАР» (HYPERBAR), характеризующейся раздельными агрегатом наддува, ресивером на впуске в двигатель и системой перепуска части газов со впуска на выпуск двигателя, а также дополнительной камерой сгорания, предлагаемое устройство объединяет все необходимые конструктивные элементы (компрессорные полости, камера сгорания, ресивер большого объема) в едином корпусе, что облегчает монтаж и обслуживание систем силовой установки. Перепуск газа со впуска на выпуск двигателя внутреннего сгорания для обеспечения работоспособности предлагаемой системы наддува не требуется.

В отличие от известной системы наддува «ГИПЕРБАР» (HYPERBAR), имеющей проблемы с пуском холодного двигателя, решающиеся за счетподогрева впускного воздуха, предлагаемая система наддува на базе СПГГ обеспечивает устойчивые пуски за счет высоких температур на входе в двигатель без дополнительного подогрева заряда. Также в предлагаемом изобретении основное внимание уделено совместной работе СПГГ с классическим поршневым двигателем внутреннего сгорания.

Техническим результатом является обеспечение высоких степеней наддува и эффективности поршневого ДВС во всем диапазоне режимов его работы при приемлемых нагрузках на детали цилиндропоршневой группы и возможности реализовать режим форсажа по тяге или мощности на любых режимах работы, а также обеспечение устойчивых пусков двигателя без использования дополнительного подогрева заряда на впуске.

Технический результат достигается за счет того, что Системе наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающей агрегат наддува, впускной ресивер 14 ДВС, ДВС 15 и выпускной ресивер 16 ДВС, в качестве агрегата наддува применен свободнопоршневой генератор 1 газа (СПГГ), включающий цилиндр 4 с прямоточной щелевой продувкой, имеющий выпускные 12 и продувочные впускные 11 окна, размещенные в цилиндре 4 оппозитно перемещающиеся два поршня 6, которые связаны с поршнями 7 компрессора, размещенными в цилиндрах компрессора с буферными 5 и компрессорными 2 полостями, а также ресивер 3 СПГГ, размещенный в центральной части СПГГ 1 и соединенный с компрессорными полостями 2 через выпускные клапаны 9 компрессорной полости, причем ресивер 3 СПГГ 1 связан также с впускным ресивером 14 ДВС через выпускной клапан 10 ресивера и промежуточный охладитель 13 наддувочного воздуха, при этом входящий поток воздуха поступает в компрессорные полости цилиндров компрессора СПГГ 1 через впускные клапаны 8 компрессорной полости, тогда как продукты сгорания из цилиндра 4 СПГГ 1 отводятся в окружающую среду через выпускные окна 12 и из цилиндров ДВС 15 через выпускной ресивер 16 ДВС.

Дополнительными отличиями предлагаемой Системы наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) является то, что:

- в качестве второй ступени системы наддува применен силовой компрессор 17, соединенный с коленчатым валом ДВС 15 через механический привод, при этом выход силового компрессора 17 связан с выпускным клапаном 10 ресивера СПГГ 1 и входом промежуточного охладителя 13,

- в нее введена силовая турбина 18, связанная с коленчатым валом ДВС 15 через механический привод, при этом вход силовой турбины 18 связан с выпускными окнами 12 цилиндра 4 СПГГ 1 и выходом выпускного ресивера16 ДВС, тогда как продукты сгорания отводятся в окружающую среду с выхода силовой турбины 18,

- в качестве второй ступени системы наддува применены компрессор 17 и турбина 18 на общем валу с газовой связью с ДВС 15, при этом выход компрессора 17 связан с выпускным клапаном 10 ресивера СПГГ 1 и входом промежуточного охладителя 13, вход турбины 18 связан с выпускными окнами 12 цилиндра 4 СПГГ 1 и выходом выпускного ресивера 16 ДВС, тогда как продукты сгорания отводятся в окружающую среду с выхода турбины 18.

Технический результат достигается также за счет того, что в Системе наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающей агрегат наддува, ДВС 15, впускной 14 и выпускной 16 ресиверы ДВС, отличающаяся тем, что в качестве агрегата наддува применен свободнопоршневой генератор 1 газа (СПГГ), в качестве второй ступени системы наддува применены компрессор 17 и турбина 18 на общем валу с газовой связью с ДВС 15, при этом СПГГ 1 включает цилиндр 4 с прямоточной щелевой продувкой, имеющий выпускные 12 и продувочные впускные окна 11, размещенные в цилиндре 4 оппозитно перемещающиеся два поршня 6, которые связаны с поршнями 7 компрессора, размещенными в цилиндрах компрессора с буферными 5 и компрессорными 2 полостями, а также ресивер 3 СПГГ 1, размещенный в центральной части СПГГ 1 и соединенный с компрессорными полостями 2 через выпускныеклапаны 9 компрессорной полости, причем выпускные окна 12 цилиндра СПГГ 1 связаны с впускным ресивером ДВС 14 через перепускной клапан 19 и промежуточный охладитель 13 наддувочного воздуха, входящий поток воздуха поступает в компрессорные полости 2 цилиндров компрессора СПГГ и колесо компрессора 17, при этом выход компрессора 17 связан с входом промежуточного охладителя 13, вход турбины 18 связан с выпускными окнами 12 цилиндра СПГГ 1 и выходом выпускного ресивера 16 ДВС, тогда как продукты сгорания отводятся в окружающую среду с выхода турбины 18. Дополнительным отличием второго варианта выполнения Системы наддува является то, что

- вход охладителя 13 связан также с выпускным клапаном 10 ресивера 3 СПГГ 1.

Сущность изобретения заключается в использовании СПГГ, работа которого характеризуется большим процентом кислорода в выходном газе, как одной из ступеней наддува с ресивером наддувочного воздуха. Изобретение позволяет полностью решать проблемы, возникающие при реализации газотурбинного наддува (отсутствие тяги на режимах низкой нагрузки и существенный рост максимального давления сгорания при реализации цикла с высокими степенями повышения давления в турбокомпрессоре). Наличие ресивера позволяет легко реализовать режим форсажа по тяге или мощности на любых режимах работы. СПГГ является независимым от ДВС агрегатом со всеми необходимыми конструктивными элементами (компрессорные полости, камера сгорания, ресивер большого объема), что облегчает монтаж и обслуживание систем силовой установки. Устойчивые пуски холодного двигателя обеспечиваются высокими температурами воздуха на выходе из СПГГ, в этом случае часть газа предполагается подавать в цилиндры ДВС перепуская мимо охладителя, или при сниженной эффективности работы охладителя (уменьшении обдуваемой площади, снижении расхода охлаждающего воздуха).

Сущность изобретения поясняется следующими фигурами.

Фиг. 1 - схема наддува с использованием сжатого воздуха из ресивера 3 СПГГ 1 для подачи на впускной ресивер 16 ДВС через охладитель 13.

Где:

1 - СПГГ

2 - компрессорная полость СПГГ

3 - ресивер СПГГ

4 - цилиндр СПГГ

5 - буферная полость СПГГ

6 - поршень СПГГ

7 - компрессорный поршень СПГГ

8 - впускной клапан компрессорной полости СПГГ

9 - выпускной клапан компрессорной полости СПГГ

10 - выпускной клапан ресивера СПГГ

11 - продувочные окна СПГГ

12 - выпускные окна СПГГ

13 - охладитель

14 - впускной ресивер ДВС 15-ДВС

16 - выпускной ресивер ДВС

Фиг. 2 - то же, что и на Фиг. 1, но с подачей сжатого воздуха из ресивера 3 СПГГ во впускной ресивер 14 ДВС после смешения с воздухом из силового компрессора 17, приводимого в движение от коленчатого вала ДВС 15, Где: 17 - силовой компрессор

Фиг. 3 - то же, что и на Фиг. 1, но с подачей продуктов сгорания из цилиндра 4 СПГГ и выпускного ресивера 14 ДВС на впуск силовой турбины, связаннойс коленчатым валом ДВС 15 через механический привод, с последующим отводом продуктов сгорания в окружающую среду.

Где: 18 - силовая турбина

Фиг. 4 - то же, что и на Фиг. 1, но с добавлением компрессора 17 и турбины 18 с газовой связью с ДВС 15, с разделением потока воздуха на входе, с подачей сжатого воздуха через выпускной клапан 10 ресивера 3 СПГГ 1 во впускной ресивер 14 ДВС после смешения с воздухом из компрессора 17 и охлаждения в охладителе 13, с подачей продуктов сгорания из цилиндра 4 СПГГ 1 и выпускного ресивера 16 ДВС на впуск колеса турбины 18, с последующим отводом продуктов сгорания в окружающую среду.

Фиг. 5 - схема наддува с включением в схему также компрессора 17 и турбины 18 с газовой связью с ДВС 15 и перепускного клапана 19. В данной схеме предусмотрено разделение потока воздуха на входе между СПГГ 1 и колесом компрессора 17, при этом не предусмотрен отвод части сжатого воздуха из ресивера 3 СПГГ 1. Во впускной ресивер 14 ДВС в этом случае подается сжатый воздух из колеса компрессора 17 с частичным подмешиванием продуктов сгорания из цилиндра 4 СПГГ 1 через перепускной клапан 19, далее газ после охлаждения в охладителе 13 подается во впускной ресивер ДВС 14. Основная доля продуктов сгорания из цилиндра 4 СПГГ 1 и выпускного ресивера ДВС 16 подается на впуск колеса турбины 18, с последующим отводом продуктов сгорания в окружающую среду. Где: 19 - перепускной клапан

Фиг. 6 - то же самое, что на фиг.5, но с отводом части сжатого воздуха из ресивера СПГГ 3, который после смешения со сжатым воздухом из колеса компрессора 17, с частичным подмешиванием продуктов сгорания из цилиндра СПГГ 4 через перепускной клапан 19, через охладитель 13 попадает во впускной ресивер 14 ДВС. Основная доля продуктов сгорания из цилиндра4 СПГГ 1 и выпускного ресивера 16 ДВС подается на впуск колеса турбины 18, с последующим отводом в окружающую среду.

Предлагаемые схемы (фиг. 1-фиг. 6) систем наддува используются в зависимости от типа ДВС.

Способ применения СПГГ в качестве агрегата наддува, заключается в том, что СПГГ 1 интегрируется в системы впуска и выпуска поршневого ДВС 15, в качестве агрегата наддува или одной из его ступеней. В качестве второй ступени системы наддува может использоваться компрессор 17. Воздух из СПГГ 1 (или смесь воздуха и продуктов сгорания, характеризующихся большим процентом кислорода в выходном газе) полностью или частично через перепускной клапан 19, а далее через охладитель 13 подается напрямую или после смешения с воздухом из компрессора 17 ДВС 15 во впускной ресивер ДВС 14. При пусках силовой установки вначале осуществляется пуск СПГГ 1 при помощи устройства пневматического пуска, подающего воздух под давлением в буферные полости 5. Далее нагретый воздух из ресивера СПГГ 3 напрямую или после смешения с выходным воздухом из камеры сгорания в цилиндре СПГГ 4 подается во впускной ресивер ДВС 14, минуя охладитель 13 или при сниженной эффективности работы охладителя 13. После осуществления пуска ДВС 15, воздух на впуск в ДВС 15 должен подаваться через охладитель 13. Продукты сгорания из ДВС 15 через выпускной ресивер 16 подаются на колесо турбины 18 или отводятся в окружающую среду.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Система наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) включает агрегат наддува, впускной ресивер (14) ДВС, ДВС (15) и выпускной ресивер (16) ДВС. В качестве агрегата наддува применен свободнопоршневой генератор (1) газа (СПГГ). СПГГ (1) включает цилиндр (4) с прямоточной щелевой продувкой. Цилиндр (4) имеет выпускные и продувочные впускные окна (12) и (11). В цилиндре (4) оппозитно перемещающиеся два поршня (6), которые связаны с поршнями (7) компрессора, размещенными в цилиндрах компрессора с буферными и компрессорными полостями (5) и (2). Ресивер (3) СПГГ (1) размещен в центральной части СПГГ и соединен с компрессорными полостями (2) через выпускные клапаны (9) компрессорной полости. Ресивер (3) СПГГ (1) связан также с впускным ресивером (14) ДВС через выпускной клапан (10) ресивера (3) и промежуточный охладитель (13) наддувочного воздуха. Входящий поток воздуха поступает в компрессорные полости (2) цилиндров (4) компрессора СПГГ (1) через впускные клапаны (8) компрессорной полости. Продукты сгорания из цилиндра (4) СПГГ 1 отводятся в окружающую среду через выпускные окна (12) и из цилиндров ДВС (15) через выпускной ресивер (16) ДВС. Раскрыт вариант выполнения системы наддува двигателя внутреннего сгорания. Технический результат заключается в обеспечении высоких степеней наддува во всем диапазоне режимов работы ДВС при приемлемых нагрузках на детали цилиндропоршневой группы и возможности реализовать режим форсажа по тяге или мощности на любых режимах работы, а также в обеспечении устойчивых пусков двигателя без использования дополнительного подогрева заряда на впуске. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающая агрегат наддува, впускной ресивер (14) ДВС, ДВС (15) и выпускной ресивер (16) ДВС, отличающаяся тем, что в качестве агрегата наддува применен свободнопоршневой генератор (1) газа (СПГГ), включающий цилиндр (4) с прямоточной щелевой продувкой, имеющий выпускные (12) и продувочные впускные (11) окна, размещенные в цилиндре (4) оппозитно перемещающиеся два поршня (6), которые связаны с поршнями (7) компрессора, размещенными в цилиндрах компрессора с буферными (5) и компрессорными (2) полостями, а также ресивер (3) СПГГ, размещенный в центральной части СПГГ (1) и соединенный с компрессорными полостями (2) через выпускные клапаны (9) компрессорной полости, причем ресивер (3) СПГГ (1) связан также с впускным ресивером (14) ДВС через выпускной клапан (10) ресивера и промежуточный охладитель (13) наддувочного воздуха, при этом входящий поток воздуха поступает в компрессорные полости цилиндров компрессора СПГГ (1) через впускные клапаны (8) компрессорной полости, тогда как продукты сгорания из цилиндра (4) СПГГ (1) отводятся в окружающую среду через выпускные окна (12) и из цилиндров ДВС (15) через выпускной ресивер (16) ДВС.

2. Система наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по п.1, отличающаяся тем, что в качестве второй ступени системы наддува применен силовой компрессор (17), соединенный с коленчатым валом ДВС (15) через механический привод, при этом выход силового компрессора (17) связан с выпускным клапаном (10) ресивера СПГГ (1) и входом промежуточного охладителя (13).

3. Система наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по п.1, отличающаяся тем, что в нее введена силовая турбина (18), связанная с коленчатым валом ДВС (15) через механический привод, при этом вход силовой турбины (18) связан с выпускными окнами (12) цилиндра (4) СПГГ (1) и выходом выпускного ресивера (16) ДВС, тогда как продукты сгорания отводятся в окружающую среду с выхода силовой турбины (18).

4. Система наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по п.1, отличающаяся тем, что в качестве второй ступени системы наддува применены компрессор (17) и турбина (18) на общем валу с газовой связью с ДВС (15), при этом выход компрессора (17) связан с выпускным клапаном (10) ресивера СПГГ (1) и входом промежуточного охладителя (13), вход турбины (18) связан с выпускными окнами (12) цилиндра (4) СПГГ (1) и выходом выпускного ресивера (16) ДВС, тогда как продукты сгорания отводятся в окружающую среду с выхода турбины (18).

5. Система наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающая агрегат наддува, ДВС (15), впускной (14) и выпускной (16) ресиверы ДВС,  отличающаяся тем, что в качестве агрегата наддува применен свободнопоршневой генератор (1) газа (СПГГ), в качестве второй ступени системы наддува применены компрессор (17) и турбина (18) на общем валу с газовой связью с ДВС (15), при этом СПГГ (1) включает цилиндр (4) с прямоточной щелевой продувкой, имеющий выпускные (12) и продувочные впускные окна (11), размещенные в цилиндре (4) оппозитно перемещающиеся два поршня (6), которые связаны с поршнями (7) компрессора, размещенными в цилиндрах компрессора с буферными (5) и компрессорными (2) полостями, а также ресивер (3) СПГГ (1), размещенный в центральной части СПГГ (1) и соединенный с компрессорными полостями (2) через выпускные клапаны (9) компрессорной полости, причем выпускные окна (12) цилиндра СПГГ (1) связаны с впускным ресивером (14) ДВС через перепускной клапан (19) и промежуточный охладитель (13) наддувочного воздуха, входящий поток воздуха поступает в компрессорные полости (2) цилиндров компрессора СПГГ и колесо компрессора (17), при этом выход компрессора (17) связан с входом промежуточного охладителя (13), вход турбины (18) связан с выпускными окнами (12) цилиндра СПГГ (1) и выходом выпускного ресивера (16) ДВС, тогда как продукты сгорания отводятся в окружающую среду с выхода турбины (18).

6. Система наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по п.5, отличающаяся тем, что вход охладителя (13) связан также с выпускным клапаном (10) ресивера СПГГ (1).