Двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1991 года по МПК F02B37/12 F02D23/02 F02G5/02 F02M31/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности - двигателестроению, а конкретно - к двигателям внутреннего сгорания с регулируемым наддувом и использованием энергии перепускаемых отработавших газов.

Цель изобретения - повышение эффективности использования энергии отработавших газов и снижение их токсичности.

На фиг. 1 схематически показан общий вид системы наддува и жидкостный резервуар; на фиг. 2 - разрез А-А вихревой трубы по фиг.1: на фиг. 3 - эжектор и его подсоединения к выхлопной трубе и выпускному

патрубку теплообменника; на фиг. 4 - вариант выполнения разветвления газопровода для случая использования резервуара в системе смазки.

Турбокомпрессор 1 системы наддува, содержащий газовую турбину 2 и центробежный компрессор 3.соединенные с двигателем внутреннего сгорания (не показан) выпускным трубопроводом 4 и нагнетательным трубопроводом 5. причем, с целью регулирования турбокомпрессор 1 снабжен обводным каналом 6 и перепускным клапаном 7, имеющим для своего управления воздушный канал 8. Выпускной трубопровод 4

О 4

Ю Ю

с помощью обводного канала 6 соединен с вихревой трубкой 9, которая имеет тангенциальный или спиральный сопловой ввод 10 (фиг. 2), рабочую часть с закрепленным на выходе горячим выпускным патрубком и конусом 11. Участок горячего выпускного патрубка 12 размещен в выхлопной трубе 13 и ориентирован против потока отработавших газов в этой трубе.

Второй холодный выпускной патрубок вихревой трубы 9 выполнен в виде центральной трубки 14 с диафрагмой 15 на входе и сообщен со змеевиком 16, охлажденным жидкостью, например, водой, поступающей по трубопроводу 17 из корпуса газовой турбины 2 или блока двигателя. Змеевик выполнен в виде участка, разветвленного газопровода 18, одна ветвь которого (вторая) соединена с жидкостным резервуаром 19 над уровнем жидкости. Резервуар служит емкостью для топлива или для масла и включен в систему питания или смазки. Первая ветвь газопровода 18 соединена с впускным патрубком газожидкостного рекуперативного теплообменника 20, размещенного в резервуаре ниже уровня жидкости. Выпускной патрубок21 теплообменника частично размещен в выхлопной трубе 13. Вторая ветвь газопровода снабжена охлаждаемым фильтром-конденсатором 22 и обратным клапаном 23. Резервуар снабжен предохранительным клапаном 24 избыточного давления. Обе ветви оснащены запорными клапанами 25 и 26. Выходная магистраль 27 резервуара может быть проложена рядом с одной из ветвей газопровода для дополнительного подогрева.

В варианте по фиг. 3 патрубок 12 частично размещен внутри выхлопной трубы 13 вдоль ее оси и ориентирован вдоль потока газов в выхлопной трубе, а выхлопная труба подключена к активному соплу эжектора 28, пассивное сопло которого подключено к выпускному патрубку 21 теплообменника.

Горячий выпускной патрубок 12 может быть выполнен сужающимся к выходу, в этом случае вихревая труба выполняется без конуса 1 или же он заменяется крестовиной для раскрутки потока.

При использовании резервуара 19 в системе смазки с сухим картером разветвление газопровода 18 выполняется в виде эжектора 29 (фиг. 4), пассивное сопло которого сообщено с резервуаром.

Двигатель работает следующим образом.

С повышением частоты вращения вала двигателя и нагрузки до номинальной включительно турбокомпрессор 1 повышает давление наддува в нагнетательном трубопроводе

5 и цилиндрах двигателя, причем давление воздуха, сжатого в компрессоре 3, передается по каналу 8, воздействует на мембрану перепускного клапана 7 и открывает его. В

этот момент отработавшие газы двигателя, выходящие из выпускного трубопровода 4, направляются преимущественно в газовую турбину 2 и затем - выхлопную трубу 13, но часть газов движется через открытый кла0 пан 7 в обводной канал 6 и поступает в сопловой ввод 10 вихревой трубы 9. В вихревой трубе 9, благодаря высокой (звуковой) скорости истечения газов из сопла и-тангенциальному или спиральному вводу потока,

5 создается интенсивное вращательное движение газов, которое сопровождается температурным разделением с образованием более нагретого потока (горячего) на периферии неохлаждаемой рабочей части вихре0 вой трубы 9 и охлажденного потока (холодного) на оси трубы, движущихся про- тивоточно, Кроме того, в трубе 9 создается радиальная неравномерность давления и концентрации механических частиц, таких

5 как сажа и зола. Причем процесс сепарации цастиц в горячий поток сопровождается выгоранием углерода и уносом золы в горячем потоке, проходящем через кольцевое сечение на конусе 11 и отводимом через

0 патрубок 12 в выхлопную трубу 13. Выход газов из патрубка 12 навстречу основному потоку из газовой турбины 2 притормаживает несколько этот поток и тем самым улучшаетусловиярегулирования

5 турбокомпрессора 1. Эффект торможения может быть усилен установкой регулирующей заслонки в трубе 13.

Холодный поток движется через диафрагму 15 по центральной трубе 14 и допол0 нительно охлаждается в змеевике 16 до температуры 480-520 К. а затем по одной из ветвей трубопровода 18 направляется в теплообменник 20. Сравнительно невысокая температура позволяет использовать газы

5 для подогрева топлива или масла в резервуаре 19. Через выпускной патрубок 21 поток отводится в выхлопную трубу 13. Параллельно с этим холодный поток частично направляется во вторую ветвь трубопровода 18. в

0 фильтр-конденсатор 22, в котором подвергается тонкой фильтрации с конденсацией водяного пара, образованием кислот и осушкой газов, достигающих температуры не выше 373 К. Затем отработавшие газы

5 через обратный клапан 23 заполняют резервуар 19 над уровнем жидкости и создают в ней избыточное давление, величина которого определяется суммарным гидравлическим сопротивлением трубопровода 18. Верхний уровень давления в резервуаре 19

поддерживается автоматически клапаном 24, при открытии которого газы выбрасываются в атмосферу или в выхлопную трубу 13. Газы из фильтра-конденсатора 22 перетекают постепенно в резервуар 19 по мере снижения уровня жидкости и своим давлением способствуют ее движению в расходной магистрали 27.

Распределение отработавших газов на горячий и холодный потоки определяется величиной проходных сечений на конусе 11 и в диафрагме 15 вихревой трубы, а также положением клапанов 25 и 26, при закрытии которых или только клапана 26 холодный поток практически не образуется, и отработавшие газы из вихревой трубы,дополнительно не разогреваясь, отводятся через патрубок 12 в выхлопную трубу 13.

При пуске двигателя, работе на холостом ходу или под нагрузкой на низких частотах вращения вала двигателя перепускной клапан 7 закрыт, и вихревая труба 9 выполняет новую функцию, соединительного трубопровода для рециркуляции отработавших газов из выхлопной трубы 13 в патрубок 12 и дальнейшего движения по разветвленному трубопроводу 18 с возвратом через выпускной патрубок 21 в выхлопную трубу 13. Этот путь рециркуляции отработавших газов сохраняется полностью в системе согласно варианту (фиг. 3), в котором движение газов создается эжектором 28. При открытом клапане 7 о эжектор 28 поступает лишь холодный поток из вихревой трубы 9, а горячий поток двигателя поступает в обычном направлении и на выходе из патрубка 12 создает эжекцию, снижающую несколько противодавление за газовой турбиной 2.

Эжектор 29 создает разрежение в резервуаре 19, обеспечивает деаэрацию масла, поступающего из картера двигателя, и удаляет газы через фильтр в общий поток газопровод 18 и выхлопную трубу 13.

Двигатель предназначен, в первую очередь, для работы с высоким наддувом на утяжеленном моторном топливе с подогревом. Система утилизации тепла перепускаемых газов многофункциональна и обеспечивает на переменных режимах работы двигателя нагрев топлива или масла в напорной емкости, наддув емкости или разрежение в ее газовой полости, расширяет возможности регулирования турбокомпрессора и обладает саморегулированием. При работе двигателя под нагрузкой в системе

происходит дожигание сажи и других горючих компонентов, благодаря чему снижается общая токсичность отработавших газов В предлагаемой системе поддерживается пожарнаи безопасность путем последовательного ступенчатого охлаждения отводимых отработавших газов, что также препятствует термическому распаду топлива или масла в напорной емкости. Пожарная

безопасность обеспечивается и за счет низкой окислительной способности отработавших газов

15

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий системы питания и смазки с жидкостными резервуарами для топлива и масла и систему наддува с турбокомпрессором. у которого газоприемный патрубок сообщен с выхлопной трубой через перепускной клапан и обводной канал, отличающий- с я тем, что, с целью повышения эффективности использования энергии отработавших газов и снижения их токсичности, двигатель снабжен газожидкостным теплообменником, газопроводом и вихревой трубой с горячим и холодным выпускными патрубками, газожидкостный теплообменник установлен в одном из резервуаров ниже уровня жидкости, а вихревая труба установлена о обводном канале, причем горячий выпускной патрубок вихревой трубы сообщен с выхлопной трубой, а холодный

подключен к газопроводу , разветвляющему- ся на две ветви, первая из которых подсоединена к впускному патрубку теплообменника, а вторая - резервуару над уровнем жидкости.

2. Двигатель по п. 1, отличающийс я тем, что он снабжен жидкостным газоохладителем, выполненным в виде участка газопровода, заключенного между разветвлением и холодным патрубком вихревой

трубы.

3.Двигатель по пп. 1. 2, о т л и ч а ю щ- и и с я тем, что горячий выпускной патрубок вихревой трубы частично размещен внутри выхлопной трубы вдоль ее оси и ориентирован против потока газов в выхлопной трубе.

4.Двигатель по пп. 1-3, о т л и ч а ю щ- и и с я тем, что он снабжен эжектором, активное сопло которого подключено к выхлопной трубе, а пассивное - к выпускному патрубку теплообменника

з Ч

Изобретение позволяет повысить эффективность использования энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания и снизить их токсичность. Газоприемный патрубок турбины 2 турбокомпрессора сообщен с выхлопной трубой 13 через перепускной клапан 7 и обводной канал 6, в котором установлена вихревая труба 9. "Горячий" выпускной патрубок 12 вихревой трубы сообщен с выхлопной трубой, а "холодный" подключен к разветленному газопроводу 18. Одна ветвь газопровода подключена к впускному патрубку теплообменника 20, установленного в резервуаре ниже уровня жидкости, а другая подключена к резервуару над уровнем жидкости. Выпускной патрубок 21 теплообменника сообщен с выхлопной трубой 13. Во время работы с повышенной частотой и нагрузкой часть отработавших газов двигателя через перепускной клапан 7 и обводной канал 6 поступает в вихревую трубу 9, где происходит их температурное разделение. Через "горячий" выпускной патрубок 12 высокотемпературные газы в смеси с несгоревшими частицами поступают в выхлопную трубу, а через "холодный" поступают в теплообменник 20 под уровнем жидкости и в резервуар над уровнем жидкости. Пониженная температура газов из "холодного" патрубка позволяет использовать их для подогрева топлива и масла, а отделение несгоревших частиц в "горячий" поток способствует их дожиганию. 1 с. и 3 з.п. ф-лы. 4 ил.

ю

2/

м I. . . f A-

Фиг 2

Фиг. U