Устройство для использования энергии выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1984 года по МПК F02B37/00 F02G5/04 

(.i

Изобретение относится к использованию энергии йыхлопных газов двигафеля внутреннего сгорания.

Известно устройство для испольэования энергии выхлопных газов двига,тел внутреннего сгорания, содержащее ЛОЛаточную турбину, работающую на выхлопных газах двигателя, вторичную ТУРИНУ, работающую на рабочем теле, подогреваемом выхлопными газа/ми, нагнетатель атого рабочего тела и теплообменник, размещенный в магистрали подачи рабочего тела из нагнетателя во вторичную турбину l

.3 известном устройстве в лопаточной турбине Л1спользуется кинематическая энергия выхлопных газов, а в утиЛизацй онной - теряемая тепловая энергия. Раздельное использование кинетической и тепловой энергии не позволяет использовать оба эти вида энергии с достаточно высокой эффективностью.

Цель; изобретения - повышение КПД путем совместного использования кинетической И тепловой энергии.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для использования энергии выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащем лопаточную турбину, работающую на выхлопных Газах двигателя, вторичную .турбину, работающую на рабочем теле, подогреваемом выхлопным, газами, нагнетатель этого рабочего тела и теплообменник, размещенный в магистрали подачи рабочего тела из нагнетателя во вторичную Турбину, лопаточная; турбина, нагнетатель и теплообменник объединены в единый блок и лопатки турбины выполнены полыми в виде поверхностей теплообменника и их полости включены в магистраль подачи рабочего тела из нагнетателя во вторичную турбину. Лопатки могут быть выполнены в виде цилиндрических трубок.

лопатки расположены рав.номерно по окружности.

Цилиндрические трубки могут быть расположены равномерно п6 окружностям разного диаметра.

Трубки, расположенные, на окружностях разного диаметра, могут быть смещены одна-относительно другой в угловом направлении.

. Наружные поверхности трубок могут быть снабжены профильными выступами, для повышения сопротивления потоку.

На фиг. 1 показана принципиальная схема.устройства; на фиг. -2 баланс энергии двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 3 - пояснение использования кинетической энергии выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 4 - схематическое, изображение объединенного блока; на фиг. 5 - то же, продольный разрез; на фиг. 6 - поперечный разрез блока по фиг. 5; на фиг. .7 - поперечный разрез блока, у которого лопатки выполнены в виде цилиндрических трубок; на фиг. 8 - то же, npia расположении трубок на окружностях разного диаметра со смещением в угловом направлении; на фиг. 9 - разрез А-А на фиг. 8; на.фиг. 10 - сечение трубки с профильными выступам на наружной поверхности.

К двигателю 1 внутреннего сгорания подключена лопаточная турбина 2 работающая на его выхлопных газах и расположенная ,с нагнетателем 3 и утилизационной т.урбиной 4 на общем валу 5.Обе турбины, нагнетатель 3 и теплообменник б объединены в блок 7. Газовпускная магистраль 8 турби ны 2 подключена к выхлопному коллектору двишателя, а выхлопной патру бок 9 - к теплообменнику б Через всасывающий трубопровод 10 в нагнетатель 3 поступает рабочее тело, которое затем поступает в магистраль 11, теплообменник б и через воздушный.трубопровод 12 - в утилизационную турбину 4 и д.алее по трубопроводу 13 в выхлопную трубу 14.

На фиг. 4 показан блок 7, в котором турбина 15, работающая на выХлопных газах, размещена между нагнетателем 16 и утилизационной турбиной 17. Вращающийся ротор 18 блока размещен в неподвижном корпусе 19 и вместе с корпус.ом образует узел 20. Продольный разрез этого узла показан на фиг. 5, а поперечный на фиг. 6. Впускные патрубки 21 предусмотрены для. подачи выхлопных газов В корпусе 19. Центральная Tpyi5a 22 снабжена отверстиями 23. ТорЦы 24 и 25 корпуса 19 образуют опоры для центральной трубы. 22, .причем турбинные лопатки выполнены с полостями 26 и торец 24 имеет отверстия 2.7 для выхлопа из утилизационной турбины. В левой части 28 нагнет.ателя 16 выполнено отверстие 29 для .всасывания воздуха, а с противоположной стороны в корпусе 19 предусмотрено отвер.стие 30 для отвода выхлопных газов. Таким образом, полости лопаток включены в. магистраль подачи рабочего тела из нагнетателя в утилийационнук турбину, а полые лопатки являются теплообменником. Мощность утилизационной турбины може передаваться на двигатель через привод 31 и расходоваться на привод вспомогательных агрегатов, например на, привод генерат-ора.

Лопатки могут быть.выполнены профилированными, как показано на фиг. 6, или в виде цилиндрических трубок 32 (фиг. 7) и расположены равномерно по окружности (фиг. 6-и 7), или по окружностям разного диаметра (фиг, 8), причем в последнем случае трубки, расположенные на окружностях разного диаметра, смещены одна односительно другой в угловом направлении. Лопатки 32, вы толненные в виде трубок, могут 6ыть снаёжейы на. наружной поверхности профильными выступами 33 любой конфигурации для повышения сопротивления потоку. В случае вьшолнения в виде трубок лопаточную тур;бину выполняют с выпуск ными патрубками 34 касательными к ее корпусу. Устройство может быть также снабжено ведомым элементом 35 для передачи можности двигателя 1 или вспомогательным агрегатам. После запуска двигателя 1 выхлопные газы приводят во вращение турбину 2, а последняя - нагнетатель 3, . Всасываемый и сжимаемый в нагнетате- ле воздух подводится через магистраль 11 в теплообменник 6, В тот же теплообменник поступают выхлопные газы из выхлопного патрубка 9, В теплообменнике происходит теплообмен .между выхлопнымр газами и.воздухом, нагретый воздух поступает в утилизационную турбину и там расширяется, отдавая энергию, и через трубопровод 13 отводится в выхлопную трубу .14, а затем в атмосферу. Если турбины, нагнетатель и теплообменник объединены в блок .. а теплообменник выполнен в виде поло стей в лопатках турбины, работающей на выхлопных газах, то, как показано на фиг, 4-10, после запуска двига- . теля 1 его выхлопные гдзы через впускные патрубки 21 прдводятся к турбине 15, работающей на выхлопных газах. Эта турбина приводит нагнетатель 16, Последний сжимает воздух, подает его через полости 26 в лопатках турбины 15 к утилизационной турбине 17. В полостях лопаток этот воздух нагревается теплом выхлопных газов и они служат поверхностями теплообменника. Полости лопаток включены, в магистраль подачи воздуха из нагнетателя в утилизационную турбину 17, в которой воздух расширяется, совершая полезную работу. Таким образом, в турбине 15 происходит совместное использование кинетической энергии для превращения в работу и тепловой энергии, которая передается сжатому рабочему телу (воздух) для последующего, превращения в работу в утилизационной турбине, . . Если лопатки выполнены в виде цилиндрических трубок, то отвод отработавших на лопатках выхлопных газов осуществляется не через отверстие 30 в торце корпуса, а через специально предусмотренный выпускной патрубок, расположенный тангенциально к цилиндрической поверхност.и корпуса. Профильные выступы на наружной поверхности трубок, повышающие сопротивление потоку, улучшают теплооб.мен между газами с рабочим телом и улучшают, использование тепловой энергии . В качестве рабочего тела может быть использован не только воздух, но также и вода или другой испаряемый агент, например фреон, толуол и т,п, В этом, случае нагнетатель 16 должен быть заменен насосом,. Исследованиями энерЬетическогчэ баланса автомобиля установлено распределение энергии S двигателе внут- . реннего сгорания с принудительным зажиганием и водяным охлаждением, Из подводимого с топливом тепла около 35% теряется с выхлопными газами, около 20% - с охлаждающей водой и около 20% - через Tfemioisoe излучение. Так что только 25% эффективно превращается, в работу (фиг, 2), Из этого следует, что значительная часть энергии теряется с выхлопными газами. Это потери с одной стороны, кинетической энергии (скорость выхлопных газов) и, с-другой стороны, тепловой энергии (высокая температура выхлопных газов). Известно, что вследствие неполного расширения в цилиндрах двигателя часть теоретически достижимой мощности теряется. Это мощность потерь (,. составляет в зависимости от эксплуатационного режима двигателя 20-40% индикаторной мощности Li (фиг. 3). Устройство позволяет использовать энергию этих потерь совместно, что повышает его КЦД,

q3us.2

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащее лопаточную турбину,.работающую на выхлопных газск двигателя, вторичную турбину, работающую на рабочем теле, подогреваемом выхлопными газами, нагнетатель этого рабочего тела и теплообменник, эазмещенный в магистрали подачи рабочего тела из нагнетателя во вторичную турбину, отл и чающееся тем, что, с целью повышения КПД путем совместного использования кинетической и тепловой энергии, лопаточная турбина .нагнетатель и теплообменник объединены в единый блок, лопатки турбины ,выполнены полыми 6 виде поверхностей теплообменника и их полости включены в магистраль подачи рабочего тела из нагнетателя во вторичную турбину. 2.Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с. я тем, что лопатки выполнены в виде цилиндрических тру-бок. 3.Устройство по пп. 1 и 2, о тл-и чающееся тем, что лопатки расположены равномерно по окружности. 4.Устройство по п. 2, о т л- ич ающее с я тем, что цилиндрические трубки расположены равномерно (У) по окружностям разного диаметра. 5.Устройство по п. 4, от л ичающееся тем, что трубки, расположённые по окружности разного диаметра, смещены одна относительно другой в угловом направлении, : 6. Устройство по пп. 2-5, отличающееся тем, что наружные поверхности трубок снабжены профильными выступами для повышения сопро 4; ;тивления потоку.

-

J/

33

|i7JW 23

2f

Т..

Yfffffff f -

30

лГ

16

сриеЛ

20

2i

Фиг.7

2S

сриг.Э