Турбокомпаундный двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1992 года по МПК F02B37/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению.

Известен четырехклапанный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с системой турбонаддува. Наддувочный воздух от турбокомпрессора (ТКР) направляется в цилиндры лишь через один впускной клапан, который открывается к началу второй половины хода впуска, в первой половине хода впуска воздух поступает в цилиндр из атмосферы через другой клапан. Между фазами открытия и закрытия впускных клапанов предусмотрено небольшое перекрытие, выбираемое из условия, чтобы не возникал обратный поток наддувочного воздуха через клапан, соединенный с атмосферой. Этим достигается максимальное наполнение цилиндра. В начале хода выпуска открывается лишь один выпускной клапан, через который отработавшие газы (ОГ) поступают в турбину ТКР. После того, как избыточное давление. ОГ в цилиндре становится невысоким, этот клапан закрывaetcя и открывается другой выпускной клапан, из которого ОГ вытекают в атмосферу. Пониженное противодавление ОГ способствует увеличению работы расширения и улучшения очистки цилиндров от остаточных газов. В целом две обладает повышенным КПД по сравнению с ДВС с обычной системой турббнаддува.

Недостатками ДВС с такой системой газообмена и турбонаддува являются повышенное сопротивление системы впуска; пониженные пусковые свойства ДВС в хо.лодном климате вследствие поступления в цилиндры холодного воздуха из атмосферы; эсзможность обратного потока наддувочного воздуха в атмосферу в условиях жаркого климата и повышенного.давления наддува. Повышенное сопротивление воздуха на впуске в двигатель не способствует применению механического нагнетателя; с увеличением энергии выпускных газов соответственво возрастают потери тепла, что лимитирует внедрение мероприятий, снижающих теплопередачу собственно в двигателе.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является двигатель, снабженный разделенным выпуском газов в два выхлопных коллектора, первый из которых подключен к силовой турбине, кинематически связанной с коленчатым валом двигателя, а второй подключен к турбине привода компрессора наддува, которая дополнительно, связана с выходом силовой турбины.

Недостатками такой системы наддува двигателя являются увеличенные размеры

турбокомпрессора, использующего выпускные газы с пониженной после силовой турбины энергией, и ухудшение наполнения цилиндров сжатым воздухом на больших нагрузках вследствие отсутствия охлаждения сжатого воздуха.

Цель изобретения - повышение эффективных показателей двигателя. На фиг. 1 представлен двигатель с объемным нагнетателем; на фиг. 2 - то же, с воздушным теплообменником и перепускным каналом; на фиг. 3 - то же, с турбокомпрессором и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха; на фиг. 4 - то же, с двухсекционным

теплообменником.

Турбокомпаундный двигатель внутреннего сгорания содержит впускной трубопровод 1, цилиндры 2, каждый из которых снабжен органами впуска, сообщенными с

впускным трубопроводом 1, и основным и дополнительными органами .выпуска отработавших газов, по меньшей мере два выхлопных коллектора 3 и 4, первый из которых объединяет основные органы выпуска отработавших газов из цилиндров, а второй - дополнительные органы выпуска отработавших газов из цилиндров,,и многоступенчатое устройство утилизации энергии отработавших газов, выполненное в виде

турбинных ступеней 5 и 6. Ступень 5 подключена к первому выхлопному коллектору 3, а впускной патрубок второй турбинной ступени 6 подключен к второму выхлопному коллектору 4 и дополнительно связан с выпускн ым патрубком 7 первой турбинной ступени 5.

Двигатель снабжен объемным нагнетателем 8 с внутренним сжатием и с приводом

от коленчатого вала и устройством 9 охлаждения объемного нагнетателя 8, выполненным в виде отключаемого вентилятора с кожухом 10, в который заключен объемный нагнетатель 8. Между выходным патрубком

объемного нагнетателя 8 и впускным трубопроводом 1 установлен двухсекционный теплообменник с .жидкостно-воздушной секцией 11 и воздухо-воздушной секцией 12 и перепускным каналом 13 в обход теплообменника. На входе в перепускной канал 13 установлена управляемая заслонка, причем жидкостно-еоздуШная секция 12 теплообменники подклиэчена к системе охлаждения двигателя. Количество турбинных ступеней

соответствует количеству выпускных органов каждого цилиндра 2 двигателя, и турбины могут быть размещены на одном валу с передачей потока мощности на коленчатый вал, например, с помощью зубчатой передачи и гидродинамической муфты.

Двигатель также снабжен дополнительным компрессором наддува, и первая турбинная ступень 3 выполнена в виде привода дополнительного компрессора наддува и образует с ним турбокомпрессор 14, воздухонапорный патрубок которого подключен к впускному патрубку объемного нагнетателя 8. Вторая турбинная ступень 4 выполнена в виде силовой турбины, кинематически связанной с коленчатым валом двигателя, Между воздухонапорным патрубком турбокомпрессора и впускным патрубком объемного нагнетателя 8 установлен дополнительный воздухо-воздушный охладитель 15.

Турбокомпаундный двигатель работает следующим образом,

При запуске двигателя воздух предварительно сжимается в объемном нагнетателе 8. Давление и температура воздуха повышаются в зависимости от степени сжатия и КПД. Вентилятор 9 отключен от двигателя, и подогретый естественным образом сжатый воздух поступает через впускной трубопровод 1 в цилиндры 2 двигателя. Подача такого воздуха до определенного уровня нагрузок обеспечивает нормальное сгорание топлива в цилиндрах 2 двигателя и эффективную работу турбинных ступеней, что в целом повышает КПД двигателя. При повышении нагрузок включается вентилятор 9, что уменьшает температуру наддувочного воздуха и снижает максимальные давление и температуру рабочего цикла,

В начале такта выпуска открывается основной выпускной орган, и отработавшие газы повышенного давления по первому вы-, хлопному коллектору 3 поступают на турбину 5 первой ступени. Потом открывается дополнительный выпускной оргаИ и закрывается основной. При этом по второму выхлопному коллектору 4 на турбину второй ступени 6 поступают отработавшие газы пониженного давления. Между фазами открытия и закрытия выпускных органов предусмотрено и небольшое перекрытие, выбираемое из условия реализации на каждой турбине необходимой энергии.;

Отработавшие газы повышенного давления после первой турбинной ступени поступают на вторую турбинную ступень и совместно с отработавшими газами пониженного давления срабатывает теплоперепад на второй турбинной ступени. Такой порядок работы выпускных органов и турбинных ступеней увеличивает механическую энергию, получаемую на валу двигателя.

Для увеличения плотности воздуха, поступающего в цилиндры, и снижения тепловой напряженности деталей двигателя подаваемый в цилиндры воздух охлаждается в дополнительном охладителе 15, жидкостновоздушной секции 11и воздухо-воздушной

5 секции 12 теплообменника. В случае, если чрезмерное охлаждение воздуха недопустимо, то часть нагретого после объемного нагнетателя 8 воздуха по перепускному каналу 13 направляется непосредственно во впуск0 ной трубопровод 1 двигателя.

Формула изобрет е н и я

1,Турбокомпаундный двигатель внутреннего сгорания, содержащий систему жидкостного охлаждения, впускной трубоп5 рОвод, сообщенный с органами впуска каждого цилиндра, по меньшей мере два выхлопных коллектора, первый из которых объединяет основные органы выпуска отработавших газов из цилиндров, а второй 0 дополнительные органы выпуска отрабогавших газов из цилиндров, и многоступенчатое устройство утилизации энергии отработавших газов, выполненное в виде по меньшей мере двух турбинных ступеней с

5 выпускными патрубками, первая из которых подключена к первому выхлопному коллектору, а впускной патрубок второй турбинной ступени подключен к второму выхлопному коллектору и дополнительно связан с выпускным патрубком первой турбинной ступени, отличающийся тем, что, с цепью повышения эффективных показателей, двигатель дополнительно снабжен .объемным нагнетателем с приводом от коленчатого ва-.

5 ла двигателя и устройством для охлаждения объемного нагнетателя, причем объемный нагнетатель подключен выпускным патрубком к впускному трубопроводу двигателя.

2.Двигатель по п. 1. отличающий0 с я тем, что устройство охлаждения объемного нагнетателя выполнено в виде отключаемого вентилятора с кожухом, охватывающим корпус объемного нагнетателя.

5 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что объемный нагнетатель выполнен с внутренним сжатием.

4, Двигатель по пп. 1-3, отличающийся тем, что между выходным патруб0 ком объемного нагнетателя и впускным тру бопроводом двигателя установлен

теплообменник с перепускным каналом, на

входе в который установлена уИравляемая

заслонка.

5 5. Двигатель по п, 4, о т ли ч а ю щи йс я тем, что теплообменник выполнен в виде двух секций, одна из которых выполнена воздухо-воздушной, а вторая - жидкостновоздушной,

б. Двигатель по п. 5. отличающийс я тем, что жидкостно-воздушнай секция теплообменника сообщена с системой жидкостного охлаждения двигателя.

7, Двигатель по пп. 1 - 6, отличаю щи и с я тем, что он снабжен дополнительным компрессором наддува, первая турбинная ступень выполнена в виде привода компрессора наддува и образует с ним турбокомпрессор, воздухонапорный патрубок которого подключен к впускному патрубку

объемного нагнетателя, а вторая турбинная ступень выполнена в виде силовой турбины, кинематически связанной с коленчатым валом двигателя.

8. Двигатель по п. 7, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что между воздухонапорным патрубком турбокомпрессора и впускным патрубком объемного нагнетате/ я установлен дополнительный воздухо-воздушный охладитель.

Изобретение может быть использовано в системах наддува двигателей. Цель изобретения - повышение эффективных показателей двигателя. Двигатель содержит впускной трубопровод 1, цилиндры 2, каждый из которых снабжен органами впуска, сообщенными с впускным трубопроводом 1 и разделенными органами выпуска отработавших газов повышенного и пониженного давления, выхлопные коллекторы 3 и 4, первый из которых объединяет органы выпуска отработавших газов повышенного давления, а второй - органы выпуска отработавших газов пониженного давления, и турбинные ступени 5 и'б, первая из которых подключена к первому выхлопному коллектору 3 и выполнена в виде турбины привода турбокомпрессора 14 наддува, а вторая свя- 'зана с выходом 7 первой турбинной ступени 6, дополнительно подключена к второму выхлопному коллектору 4 и вьтолнена в виде силовой турбины, кинематически связанной с коленчатым валом. Двигатель снабжен объемным нагнетателем и охладителем 9, .нагнетатели, выполненным в виде отключаемого вентилятора с кожухом 10. Между объемным нагревателем 8 и впускным трубопроводом 1 установлены двухсекционный теплообменник и перепускной канал 13, а между тгурбокомпрессором и объемным нагнетателем установлен дополнительный охладитель 15. Охлаждение наддувочного воздуха и применение турбинны>&^ ступеней с разделенным подводом газов позволяет повысить экономичность двигателя. 7 з. п. ф-лы, 4 ил.слс

5оз9дх

Фиг2