Двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1992 года по МПК F02B27/00 F02G5/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и устройствам для наддува двигателя.

Известны системы для эжекционного наддува двигателя внутреннего сгорания,со- держащие эжектор с камерой разрежения, периодически подключаемой через запорный орган к резонансному впускному трубопроводу, подключенному к наддувочному ресиверу двигателя посредством обратного клапана. В таких устройствах энергия отработавших газов, срабатывая в эжекторе, обеспечивает периодическое ускорение воздушного столба во впускном трубопроводе с целью создания избыточного давления в ресивере. Осуществляемый таким образом наддув двигателя характеризуется невысокой эффективностью ввиду диссипации энергии в камере смешения эжектора и впускном трубопроводе.

Известно устройство двигателя, содер-, жащее жидкостную систему охлаждения, с магистралью выпуска хладагента, подключенной к активному соплу парогазового эжектора, установленного в выпускном тракте. Тепловая энергия хладагента используется для создания посредством эжекционного эффекта разрежения в выпускном тракте двигателя. Благодаря этому снижается противодавление выпуску, что способствует улучшению продувки цилиндров и снижению работы насосных ходов поршневого двигателя. Однако данное устройство не обеспечивает наддув двигателя свежим воздухом, поскольку в нем утилизируется энергия относительно невысокого температурного потенциала хладагента на выходе из системы охлаждения. В поршневых двигателях внутреннего сгорания средняя температура хладагента в значительном диапазоне режимов эксплуатации не превышает ЮО..,110°С. Попытка повышения температуры хладагента на выходе из ДВС за счет выполнения

системы каналов, размещенных в головке цилиндров, усложняет конструкцию двигателя и повышает теплонапряженность камеры сгорания.

Известно применение эжектора, а также теплообменника, установленных в контактной ГПТУ с утилизацией теплоты отработавших газов и промежуточным охлаждением воздуха перегретой водой. Однако утилизированная теплота используется для повышения энергии газов срабатываемой в силовой турбине установки, при этом в эжекторе в качестве активной среды используется не пар, а перегретая вода. Причем,

начиная с некоторого момента, повышение подогрева воды в теплообменнике нецелесообразно, так как сопровождается увеличением затрат на сжатие водовоздушной среды во второй ступени компрессора. В

известной схеме ГПТУ не предусмотрено также использование волнового обменника давления.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий рубашку охлаждения, охватывающую камеру сгорания, впускной и выпускной коллекторы, утилизационную турбину, подключенную к выпускному коллектору, и магистрали подачи охлаждающего агента в рубашку охлаждения и выпуска

пара в выпускной коллектор. Недостатком данного устройства является недостаточно полное использование теплоты выпускных газов, часть которой отводится в окружающую среду,

Целью изобретения является повышение экономичности двигателя путем улучшения использования теплоты, отводимой в окружающую среду.

Поставленная цель достигается тем.

что двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с камерой сгорания впускной и выпускной коллекторы, рубашку охлаждения, охватывающую камеру сгорания, магистраль подачи в нее хладагента и магистраль выпуска хладагента, пэрогазо- вый эжектор, активное сопло которого подключено к магистрали выпуска хладагента, а пассивное - к выпускному коллектору двигателя, снабжен волновым обменникомдав- ления, канал для подвода сжимающего газа которого подключен к камере смешения па- рогазового эжектора, а канал для отвода сжатого воздуха - к впускному коллектору двигателя. Между магистралью выпуска хладагента и каналом для отвода сжимающих газов волнового обменника давления размещен теплообменник. В магистрали выпуска хладагента перед теплообменником размещен подогреватель, использующий тепло, отводимое в холодильнике наддувочного воздуха. Во впускном коллекторе двигателя после холодильника наддувочного воздуха (по направлению потока воздуха) размещен отделитель жидкости, сообщенный посредством дополнительного канала с магистралью подачи хладагента в рубашку охлаждения.

Снабжение двигателя волновым обмен- ником давления обеспечивает использование энергии отработавших газов двигателя и хладагента системы охлаждения.для наддува цилиндров двигателя свежим зарядом. Благодаря подключению каналов подвода сжимающего газа волнового обменника давления к камере смешения парогазового эжектора достигается повышение энергии сжимающего газа за счет увеличения расхода и повышения давления сжимающих газов в эжекторе. При этом в качестве активной среды в эжекторе используется хладагент, находящийся в состоянии пара под давлением, превышающим давление отработавших газов в выпускном коллекторе двигателя.

Размещенный между магистралью выпуска хладагента и каналом для отвода газов из обменника давления теплообменник обеспечивает использование теплоты отработавших газов для повышения температуры пара хладагента, что способствует повышению энергии сжимающих газов перед обменником, а следовательно, и повышению давления наддува двигателя. Подогрев хладагента осуществляется с помощью подогревателя, отбирающего тепло в процессе охлаждения наддувочного воздуха. Эффективность такого подогрева обусловлена тем, что сжатый в волновом обменнике наддувочный воздух имеет температуру, превышающую температуру хладагента на выходе из двигателя. Таким образом, через двухступенчатый дополнительный подогрев хладагента осуществляется более полная утилизация теплоты, от5 водимой в окружающую среду.

Благодаря давлению в зоне перемешивания сжимающих газов и сжимаемого воздуха, а также возможной рециркуляции сжимающего газа во впускной коллектор на режимах

0 частичных нагрузок, наддувочный воздух содержит пары хладагента (вода), которые частично конденсируются б холодильнике наддувочного воздуха в виде капель жидкости, Размещение после холодильника надду5 вочного воздуха отделителя жидкости, сообщенного посредством дополнительного канала с магистралью подачи хладагента в рубашку охлаждения, обеспечивает удаление жидкости из наддувочного воздуха, а также частичную компенсацию расхода хладагента, выбрасываемого через активное сопло эжектора.

В предложенном устройстве утилизация теплоты осуществляется одновременно

в трех контурах, причем ограничений по повышению подогрева пара перед эжектором в пределах реального температурного диапазона рабочего цикла нет. Конечный эф- , фект утилизации тепла в предложенном

0 устройстве заключается в возможности повысить давление наддува двигателя при одновременном снижении противодавления выпуску газов из цилиндров.

На чертеже представлен двигатель

5 внутреннего сгорания.

Двигатель 1 содержит впускной 2 и выпускной 3 коллекторы, магистраль подачи хладагента 4 в систему охлаждения двигателя, включающую водоподкачивающую пом0 пу 5. расширительный бачок б и циркуляционный насос 7, волновой обмен- ник 8 давления с каналами 9-12 для подвода и отвода сжимающего газа и сжимаемого воздуха. В канале 10 размещен теплообмен5 ник 13 использования теплоты выпускных газов, снабженный каналом 14 выпуска хладагента из теплообменника, и подключенный к магистрали 15 выпуска хладагента из рубашки охлаждения двигателя 1. К каналу

0 9 подключен парогазовый эжектор 16, активное сопло 17 которого подключено к каналу 14, а пассивное сопло 18 выполнено в виде участка выпускного коллектора 3. В стыке между каналом 12 и впускным коллек5 тором 2 установлена холодная полость 19 охладителя наддувочного воздуха, горячая полость 20 которого включена в магистраль 15 выпуска хладагента из рубашки охлаждения. Между холодной полостью 19 и впуск0 ным коллектором 2 установлен отделитель жидкости 21, снабженный отводным каналом 22, подключенным к магистрали 4 подачи хладагента.

Устройство работает следующим образом.

Хладагент из расширительного бачка 6 с помощью циркуляционного насоса 7 по магистрали 4 подается в рубашку охлаждения двигателя 1, где он нагребается, одновременно охлаждая стенки камеры сгорания двигателя. В магистрали 15 выпуска хладагент, подвергаясь дальнейшему подогреву горячей полости 20 охладителя наддувочного воздуха, а затем в теплообменнике 13, превращается в перегретый пар. Последний, истекая через активное сопло эжектора 17, увлекает за собой через пассивное сопло 18 отработавшие газы из выпускного коллектора 3 двигателя 1, в результате чего повышается давление, масса и объем сжимающего газа обменника 8 давления. В волновом обменнике давления осуществляется следующий газодинамический цикл.

В процессе вращения ротора обменни- ка 8 напорообменнные ячейки совмещаются с окном канала 9, в результате чего в ячейке распространяется волна давления, сжимающая находящийся в ней воздух. Вслед за волной давления в ячейку поступает сжимающий газ. К моменту прохождения волной всей длины ячейки ее противоположный конец сообщается с окном канала 12, и сжатый воздух нагнетается через холодную полость 19 охладителя наддувочного воздуха и отделитель жидкости 21 во впускной коллектор 2 двигателя 1.

В канале 12 к сжатому воздуху, особенно на режимах частичных нагрузок, подмешивается часть паров хладагента. Пары хладагента конденсируются в холодной полости 19 охладителя и удаляются из наддувочного воздуха в отделителе 21 жидкости. Из отделителя 21 жидкости хладагент через канал 22 подводится в магистраль 4, благодаря чему снижается расход хладагента, подкачиваемого помпой 5 из внешнего источника. Теплота, отводимая от наддувочного воздуха в холодильнике 19, подводится к хладагенту в горячей полости 20.

Процесс отвода сжатого воздуха из ячейки обменника 8 через окно канала 12 продолжается до момента подхода к нему волны разрежения, образовавшейся в результате разобщения ячейки с окном канала 9. При дальнейшем вращении ротора эта же ячейка сообщается с окном канала 10 для отвода сжимающего газа.Образующаяся при этом волна разрежения достигает противоположного выходного сечения ячейки в момент ее сообщения с окном канала 11 для подвода воздуха. Импульс движения, вносимый волной возмущения, обеспечивает

удаление отработавшего сжимающего газа и заполнение ячейки свежим воздухом. Отработавший сжимающий газ в канале 10 через теплообменник 13 подогревает хладэ- гент , подводимый к соплу 17 эжектора 16.

В результате утилизации теплоты охлаждающей жидкости и газов, а также теплоты, отводимой от наддувочного воздуха в

охладителе, обеспечивается повышение давления наддува при одновременном снижении противодавления выпуску газов из цилиндров двигателя. Это способствует повышению эффективности работы двигателя

как за счет снижения работы насосных ходов, так и за счет улучшения наполнения цилиндров двигателя.

20

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с камерой сгорания и рубашкой охлаждения, охватывающей последнюю, впускной и

5 выпускной коллекторы, подключенное к впускному коллектору устройство использования энергии выпускных газов для сжатия свежего заряда, магистраль подачи в рубашку охлаждения хладагента, магистраль вы0 пуска из нее хладагента, теплообменник использования теплоты выпускных газов, снабженный каналом выпуска хладагента и подключенный к магистрали выпуска хладагента из рубашки охлаждения, и парогазо5 вый эжектор, активное сопло которого подключено к каналу выпуска хладагента из теплообменника, а пассивное выполнено в виде участка выпускного коллекторам т л и- ч ающийся тем, что, с целью повышения

0 экономичности путем более полного использования теплоты, подводимой с топливом, он снабжен охладителем наддувочного воздуха, устройство использования энергии выпускных газов для сжатия свежего заря5 да выполнено в виде волнового обменника давления, снабженного газовыпускным и воздухонапорным патрубками, теплообменник использования теплоты выпускных газов установлен в газовыпускном патрубке

0 волнового обменника давления, а в стыке между его воздухонапорным патрубком и впускным коллектором установлена холодная полость охладителя наддувочного воздуха, горячая полость которого включена в

5 магистраль выпуска хладагента из рубашки охлаждения.

2. Двигатель по п.1. отличающий- с я тем, что между охладителем наддувочного воздуха и выпускным коллектором установлен отделитель жидкости.

91703842 10

3. Двигатель по п.2, отличающий- отводным каналом, подключенным к маги- с я тем, что отделитель жидкости снабжен страли подачи хладагента.

Изобретение позволяет повысить эффективность использования теплоты выпускных газов двигателя внутреннего сгорания. Двигатель 1 содержит впускной 2 и выпускной 3 коллекторы, магистраль 4 подачи хладагента в систему охлаждения двигателя, волновой обменник 8 давления с каналами 9-12 для подвода и отвода сжимаю- щего газа и сжимаемого воздуха. В канале 10 размещен теплообменник 13 использования теплоты выпускных газов, снабженный каналом 14 выпуска хладагента из теплообменника и подключенный к магистрали 15 выпуска хладагента из рубашки ох