Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым турбонаддувом Советский патент 1993 года по МПК F02M25/06 

W

CD

Использование: изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с регулируемым газотурбинным наддувом и системой очистки отработавших газов. Сущность изобретения: используется вихревая труба 11. создающая горячие и холодные потоки, горячий 12 патрубок вихревой трубы 11 своим выходным концом установлен внутри выхлопной трубы 13 перед саже- вым фильтром 15 и ориентирован по потоку газов. Выходной конец горячего 12 патрубка вихревой трубы 11, а также участок выхлопной трубы 13, содержащий саже- вый фильтр 15, покрытый слоем теплоизрля-. ций Холодный 16 патрубок вихревой трубы с жидкостным охлаждением 17 сообщен с всасывающим патрубком 10 компрессора и снабжен регулятором 19 циркуляции отработавших газов с клапаном 22 управления. 2 ил.

фиг/

О 00 СА)

Изобретение относится к машиностроению, конкретно к двигателям внутреннего сгорания с регулируемым турбонаддувом и системой нейтрализации отработавших газов.

Целью изобретения является снижение токсичности отработавших газов.

На фиг.1 схематически представлен общий вид системы газотурбинного наддува с установкой вихревой трубы и рециркуляцией отработавших газов; на фиг.2 - соеди- нение горячего патрубка с выхлопной трубой.

Система газотурбинного наддува содержит турбокомпрессор .1, состоящий из газовой турбины 2 и центробежного компрессора 3, соединенных с двигателем внутреннего сгорания (не показан) выпускным . трубопроводом 4 и нагнетательным трубопроводом 5, причем с целью регулирования газовая турбины 2 снабжена обводным каналом 6 и перепускным клапаном 7 с мембранной камерой, имеющей для своего управления воздушный канал 8. На входе компрессора 3 установлены воздухоочиститель 9 и всасывающий патрубок 10.

Выпускной трубопровод А с помощью обводного канала б соединен с вихревой трубой 11, имеющей тангенциальный или. .спиральный сопловой вв од, переходящий в рабочую часть с закрепленными на выходе конусом и горячим патрубком 12, соединенным с выхлопной трубой 13.Патрубок 12 (фиг.2) и часть горячей поверхности вихревой трубы 11 покрыты слоем тепловой изоляции 14, а выходной участок патрубка 12 выполнен изогнутым и размещен в полости выхлопной трубы 13 перед сажевым фильтром 15 на расстоянии не более одного диаметра этой трубы.

Второй холодный выпускной патрубок вихревой трубы 11 выполнен в виде центральной трубки 16 с диафрагмой на входе и змеевиком 17, охлаждаемым жидкостью, например водой из рубашки корпуса газовой турбины 2 или блока двигателя. В свою очередь змеевик 17 соединен трубопроводом 18 с всасывающим патрубком 10 компрессора 3 напрямую или через фильтр тонкой очистки в корпусе воздухоочистителя 9.

На трубопроводе 18 установлен регулятор 19 циркуляции газов мембранного типа, у которого одна рабочая полость (верхняя) сообщена газовым каналом 20 с выпускным трубопроводом 4, другая полость (нижняя) воздушным каналом 21, содержащим клапан 22 управления электромагнитного типа, с нагнетательным трубопроводом 5.

Двигатель работает следующим образом.

При пуске двигателя на режиме холостого хода с низкой частотой вращения вала, а также в момент разгона отработавшие газы полностью движутся по выпускному трубопроводу 4 в газовую турбину 2 и вихревая труба 11 не действует, так как закрыт перепускной клапан 7, а регулятор 19 циркуляции газов перекрывает трубопровод 18. В этот начальный период клапан 22 управления сообщает рабочую полость (нижнюю) мембранной камеры регулятора 19 с нагнетательным трубопроводом 5, в кото5 ром давление воздуха, сжатого компрессором 3, ниже, чем давление отработавших газов на выпуске двигателя, передаваемое из выпускного трубопровода 4 по соединительному каналу 20 во вторую (верхнюю)

0 рабочую полость камеры регулятора 19,С увеличением нагрузки двигателя давление сжатого воздуха в нагнетательном трубопроводе 5 возрастает и становится выше давления отработавших газов в выпуск5 ном трубопроводе 4. Теперь перепад давления в рабочих полостях мембранной камеры регулятора 19 циркуляции газов действует в обратном (верхнем) направлении и мембрана, перемещаясь, открывает

0 клапан регулятора 19, который сообщает полости выхлопной трубы 13 и вихревой трубы 11 с всасывающим патрубком 10. Отработавшие газы под действием избыточного давления в выхлопной трубе 13 движутся в

5 ограниченном количестве в горячий выпускной патрубок 12, заполняет вихревую трубу 11, охлаждаются в змеевике 17 и по соединительному трубопроводу 18 рецирку- лируют во всасывающий патрубок 10, в ко0 тором поток воздуха находится под небольшим разряжением благодаря гидросопротивлению воздухоочистителя 9.

При средней и повышенной нагрузке двигателя и увеличенной частоте вращения

5 вала турбокомпрессор 1 повышает давление наддува в нагнетательном трубопроводе 5 и цилиндрах двигателя, которое по воздушному каналу 8 сообщается также перепускному клапану 7, воздействует на под0 пружиненную мембрану клапана и открывает его. В этот период, основной, отработавшие газы движутся паралелльными потоками в газовую турбину 2 и по обводному каналу 6 через перепускной клапан 7 в

5 сопловый ввод вихревой трубы 11.

. Благодаря наличию перепада давления и ускорению газового потока до звуковой или сверхзвуковой скорости 10 в рабочей части вихревой трубы 11 создается интенсивное вращательное движение и возникает термическая неравномерность с образованием более нагретого потока (горючего) на периферии рабочей части трубы и охлажденного потока (холодного) на ее оси, движущихся в трубе противоточно.

Кро ме того, в трубе 11 создается радиальная неравномерность давления и эффективно протекает процесс сепарации механических частиц, таких как сажа, зола, капли масла, продукты износа. Выход этих частиц в зону горячего потока с температурой 850 - 900 К сопровождается выгоранием углеводородов и выносом остатка в горячий выпускной патрубок 12, а из него в полость выхлопной трубы 13 на сажевый фильтр 15. С помощью теплоизоляции 14 поддерживается высокая температура газовой струи на выходе из патрубка 12, обеспечивающая дожигание горючих компонентов в основном потоке отработавших газов, вы- ходящем из газовой турбины 2, и частично, регенерацию сажевого фильтра 15.

Холодный поток отработавших движется по оси вихревой трубы 11 через диафрагму центральной трубки 16, допол- нительно охлаждается в змеевике 17 до температуры 470 - 520 К и, пройдя клапан циркуляции газов 19, направляется по соединительному трубопроводу 18 в патрубок 10, в котором образуется газовоздушная смесь. Состав смеси и ее температура зависят от распределения отработавших газов на горячий и холодный потоки и регламентируются геометрическими размерами вихревой грубы, ее конуса и диафрагмы, а также положением клапана в регуляторе циркуляции газов 19. Сжатая в центробежном компрессо ре 3 газовоздушная смесь движется по нагнетательному трубопроводу 5 в охладитель наддувочного воздуха (не показан) и цилиндры двигателя.

При номинальной нагрузке двигателя клапан 22 управления перекрывает воздушный канал 21 и сообщает нижнюю рабочую полость мембранной камеры регулятора 19 с атмосферой. За счет перепада давления,

созданного в мембранной камере, клапан регулятора 19 работает на закрытие и прекращает рециркуляцию отработавших газов из холодного выпускного патрубка вихревой трубы 11. На этом режиме работы двигателя термическое разделение в трубе 11 не происходит и отработавшие газы, поступающие в ее рабочую часть, полностью отводятся выпускным патрубком 12 в общую выхлопную трубу 13. Отключение рециркуляции отработавших газов ведет к уменьшению недожога в цилиндрах двигателя, снижает его теплонапряженность. Качество регулирования рециркуляции клапаном 22 может быть повышено с помощью электронной системы управления, снабженной датчиками температуры, частоты вращения и др.

Формула изобретени я

Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым турбонаддувом, содержащий турбокомпрессор, имеющий газовую турбину и компрессор, установленные на общем валу, соединенный с двигателем при помощи нагнетательного и выпускного трубопроводов и снабженный на входе в компрессор всасывающим патрубком и выхлопную трубу, под- ключенную к выходу турбины, и сообщенную с выпускным трубопроводом обводным каналом, включающим перепускной клапан и вихревую трубу с горячим и холодным патрубками, отличающий- с я тем, что, с целью снижения токсичности отработавших газов, он снабжен сажевым фильтром, установленным в выхлопной трубе, горячий патрубок вихревой трубы выходным концом расположен перед сажевым фильтром, ориентирован по потоку газов и вместе с участком выхлопной трубы, содержащим сажевый фильтр, покрыт теплоизоляцией, а холодный патрубок вихревой трубы сообщен со всасывающим патрубком компрессора и снабжен регулятором циркуляции газов с клапаном управления.

Фи г. 2