Система двоступінчастого наддуву двигунів внутрішнього згоряння з першим регістровим ступенем стиснення повітря

Реферат: Система двоступінчастого газотурбінного наддуву містить турбокомпресор першого ступеня стиснення повітря, турбокомпресор другого ступеня стиснення повітря, проміжний охолоджувач повітря, кінцевий охолоджувач повітря, клапан перепуску відхідних газів повз турбіну турбокомпресора другого ступеня до проміжного випускного колектора, клапан перепуску повітря зі всмоктування на нагнітання компресора другого ступеня стиснення, з'єднані таким чином, що повітря з атмосфери засмоктується компресором турбокомпресора першого ступеня стиснення, стискується, подається на вхід до проміжного охолоджувача наддувного повітря, звідки надходить на всмоктування в компресор турбокомпресора другого ступеня стиснення, стискується і надходить в кінцевий охолоджувач наддувного повітря, повітряний ресивер двигуна і звідти в робочі циліндри двигуна, при цьому відхідні гази з робочих циліндрів надходять у випускний колектор, звідки направляються на вхід в турбіну турбокомпресора другого ступеня стиснення, після якої надходять у проміжний випускний колектор і далі на вхід в турбіну турбокомпресора першого ступеня стиснення, після якої направляються в атмосферу, додатковий турбокомпресор, клапан, що відкриває рух відхідних газів з проміжного колектора на вхід до турбіни додаткового турбокомпресора, клапан перекриття нагнітання компресора додаткового турбокомпресора. UA 91912 U (12) UA 91912 U UA 91912 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі машинобудування, а саме до двигунобудування, зокрема до систем газотурбінного наддуву комбінованих двигунів внутрішнього згоряння, і може бути використана для розширення робочого діапазону високофорсованих двигунів внутрішнього згоряння при роботі за статичними та динамічними швидкісними характеристиками, для збільшення коефіцієнтів пристосування двигуна за крутним моментом та частотою обертання колінчастого валу, а також для покращення показників перехідних процесів при різкій зміні умов роботи двигуна. Відомо про систему регістрового наддуву комбінованого двигуна внутрішнього згоряння автомобіля Porsche 959, (Хак Г. Турбодвигатели и компрессоры: справочное пособие / Г. Хак, Лангкабель. - М.: ООО "Издательство Астрель": ООО "Издательство ACT", 2003. - 351 с.), яка містить в своєму складі два турбокомпресори, які з'єднані так, що в залежності від режиму роботи двигуна стиснення повітря здійснюється тільки в одному турбокомпресорі, або паралельно в двох турбокомпресорах, кінцевий охолоджувач надувного повітря. На малих навантаженнях та при низькій частоті обертання колінчастого вала двигуна спеціальний клапан перекриває потік відхідних газів до першого з турбокомпресорів і спрямовує його на вхід в турбіну другого турбокомпресора, одночасно з цим клапан, що встановлений на нагнітанні компресора першого турбокомпресора перекриває нагнітання повітря до загального повітряного ресивера двигуна. При збільшенні навантаження двигуна та частоти обертання колінчастого вала клапан, який перекриває потік відхідних газів на вхід до турбіни першого турбокомпресора частково відкривається так, щоб тиск наддувного повітря в ресивері, який забезпечує другий турбокомпресор, не перевищував би встановленого ліміту. Одночасно з цим забезпечується підвищення частоти обертання ротору першого турбокомпресора, який переводиться в режим "гарячого резерву". При подальшому зростанні навантаження двигуна та частоти обертання колінчастого вала клапани, які перекривали потік відхідних газів на вхід в турбіну першого турбокомпресора та нагнітання компресора першого турбокомпресора, повністю відкриваються - система переходить в режим паралельного наддуву. Застосування відомої системи наддуву дозволяє зменшити час перехідних процесів в системі наддуву за рахунок використання малоінерційних турбокомпресорів та переведення двигуна при низькій частоті обертання колінчастого вала на повітропостачання від одного турбокомпресора, крім того, досягається розширення робочого діапазону двигуна за рахунок більш якісного узгодження характеристик лопаткових машин турбокомпресорів з поршневою частиною двигуна. Недоліком відомої системи є погіршення умов формування статичної та, особливо, динамічної зовнішньої швидкісної характеристики двигуна при збільшенні тиску наддувного повітря до ps=3…3.5 бар через зменшення відносного діапазону роботи компресорів по витраті повітря. Відомо також про систему керованого двоступінчастого газотурбінного наддуву комбінованого двигуна внутрішнього згоряння, що застосовується на автомобілі BMW 530d (Hiereth H. Charging the Internal Combustion Engine. Powertrain / H. Hiereth, P. Prenninger. - Wien.: SpringerWienNewYork, 2007. - 268 p.), яка містить в своєму складі два турбокомпресори, що забезпечують послідовне стиснення повітря, проміжний та кінцевий охолоджувачі наддувного повітря, випускний колектор, проміжний випускний колектор, повітряний ресивер, проміжний повітряний ресивер, клапан перепуску відхідних газів повз турбіну турбокомпресора другого ступеня стиснення повітря та клапан перепуску повітря з всмоктування на нагнітання компресора турбокомпресора другого ступеня стиснення повітря. За низької частоти обертання колінчастого валу та малого навантаження двигуна стиснення повітря здійснюється в компресорі турбокомпресора другого ступеня стиснення, якій має значно менші порівняно з турбокомпресором першого ступеня момент інерції ротора та пропускну здатність турбіни. При збільшенні частоти обертання колінчастого вала двигуна відбувається відкриття клапана перепуску відхідних газів з входу в турбіну турбокомпресора другого ступеня в проміжний випускний колектор і далі на вхід до турбіни турбокомпресора першого ступеня, завдяки чому забезпечується послідовне стиснення повітря спочатку в турбокомпресорі першого ступеня стиснення, а потім в турбокомпресорі другого ступеня. Однак при подальшому зростанні частоти обертання колінчастого валу двигуна через зростання об'ємної витрати повітря турбокомпресор другого ступеня працює неефективно, що зумовлює необхідність перепуску стисненого в турбокомпресорі першого ступеня повітря з всмоктування на нагнітання турбокомпресора другого ступеня до повітряного ресивера двигуна - стиснення повітря здійснюється лише в турбокомпресорі першого ступеня стиснення. Застосування даної системи наддуву завдяки кращому узгодженню турбокомпресорів з поршневою частиною двигуна дозволяє суттєво збільшити крутний момент двигуна за низької частоти обертання колінчастого вала на стаціонарних режимах роботи. Крім того, завдяки 1 UA 91912 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 мінімальному значенню моменту інерції турбокомпресора другого ступеня стиснення суттєво покращуються параметри перехідних процесів, зокрема забезпечується суттєве збільшення крутного моменту двигуна при його роботі за динамічною зовнішньою швидкісною характеристикою. Недоліком відомої системи наддуву є погіршення умов формування статичних та динамічних зовнішніх характеристик двигуна при розширенні діапазону робочої -1 частоти обертання до Δn=2500…3500 хв при одночасному збільшенні тиску наддувного повітря до ps=3…3.5 бар. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення системи двоступінчастого газотурбінного наддуву двигуна, що має широкий робочий діапазон за обертами колінчастого -1 валу Δn>2500 хв , при збільшенні тиску наддувного повітря до ps=3…3.5 бар. Поставлена задача вирішується тим, що пропонується система наддуву, яка складається з впускного ресивера двигуна, випускного колектора, з'єднувальних трубопроводів, проміжного та кінцевого охолоджувачів наддувного повітря, трьох турбокомпресорів та п'яти клапанів керування, завдяки яким здійснюється перерозподіл витрати повітря та відхідних газів між відповідними трубопроводами та турбокомпресорами, при цьому два турбокомпресори використовуються в якості агрегатів першого ступеня стиснення повітря, а третій турбокомпресор в якості агрегату другого ступеня стиснення. В залежності від позицій клапанів керування забезпечуються наступні режими роботи системи наддуву: 1) стиснення повітря тільки в турбокомпресорі другого ступеня; 2) послідовне стиснення повітря в одному з турбокомпресорів першого ступеня та турбокомпресорі другого ступеня; 3) послідовне стиснення повітря в турбокомпресорах першого ступеня, що працюють паралельно, та в турбокомпресорі другого ступеня стиснення; 4) стиснення повітря в турбокомпресорах першого ступеня, які працюють паралельно, з одночасним відключенням турбокомпресора другого ступеня шляхом перепуску повітря з всмоктування компресора на нагнітання. На Фіг. 1 зображено схему запропонованої системи наддуву, в якій турбокомпресори ТК № 1 та ТК № 3 формують перший ступінь стиснення повітря, нагнітаючи його у проміжний повітряний ресивер 7, звідки повітря надходить в проміжний охолоджувач наддувного повітря ОНП № 1 та подається на всмоктування в турбокомпресор другого ступеня стиснення повітря ТК № 2, який подає повітря до ресивера 1, звідки воно потрапляє у кінцевий охолоджувач наддувного повітря ОНП № 2, після якого повітря подається в повітряний ресивер двигуна 2 і далі в робочі циліндри 3. Відпрацьовані гази надходять з робочих циліндрів двигуна до випускного колектора 4, звідки вони подаються до турбіни турбокомпресора ТК № 2, розширюються, виконуючи корисну роботу, і направляються до проміжного випускного колектора 5 і далі на вхід в турбіни турбокомпресорів ТК № 1 и ТК № 3 першого ступеня стиснення повітря, після розширення в яких направляються до трубопроводу 6 і до атмосфери. На Фіг. 2 зображено режим роботи системи наддуву, при якому стиснення повітря забезпечується лише в турбокомпресорі другого ступеня, при цьому нагнітання турбокомпресорів першого ступеня сполучається з атмосферою. На Фіг. 3 зображено режим роботи системи наддуву, в якому повітря послідовно стискується в турбокомпресорі першого ступеня ТК № 1 та турбокомпресорі другого ступеня ТК № 2. На Фіг. 4 зображено режим роботи системи наддуву, при якому стиснення повітря здійснюється послідовно спочатку в двох паралельно працюючих турбокомпресорах першого ступеня стиснення ТК № 1 та ТК № 3, а потім в турбокомпресорі другого ступеня ТК № 2. На Фіг. 5 зображений режим роботи системи наддуву, при якому стиснення повітря відбувається виключно в турбокомпресорах першого ступеня стиснення, що працюють паралельно, при цьому турбокомпресор другого ступеня стиснення байпасується за рухом повітря. На Фіг. 6 проілюстрована перевага запропонованої системи наддуву на підставі порівняння розрахункових статичної та динамічної зовнішньої швидкісної характеристики дизельного двигуна типу 6ЧН 10,3/11. Запропонована система наддуву працює наступним чином. При положенні запірних органів клапанів системи, яке відповідає Фіг. 2, тобто при закритому клапані № 1 перепуску відхідних газів повз турбіну турбокомпресора другого ступеня ТК № 2, закритому клапані № 2, що перекриває рух відхідних газів на вхід до турбіни турбокомпресора ТК № 3, закритому клапані № 5, що перекриває нагнітання компресора турбокомпресора ТК № 3, відкритому клапані № 4, який сполучає всмоктування компресора турбокомпресора ТК № 2 з атмосферою, та закритому клапані № 3 перепуску повітря з всмоктування на нагнітання компресора турбокомпресора ТК № 2, компресор турбокомпресора ТК № 2 всмоктує повітря з атмосфери, стискує його та через кінцевий охолоджувач наддувного повітря ОНП № 2 направляє до повітряного ресивера двигуна 2, звідки повітря надходить в робочі циліндри 3; відпрацьовані гази з робочих циліндрів потрапляють до випускного колектора 4, звідки направляються на вхід в турбіну турбокомпресора ТК № 2, розширюються в турбіні, виконуючи корисну роботу, яка витрачається 2 UA 91912 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 на привід компресора, та потрапляють в проміжний випускний колектор 5 і звідти на вхід до турбіни турбокомпресора ТК № 1, приводячи в рух його ротор. Стиснення повітря в компресорі турбокомпресора ТК № 1 першого ступеня не відбувається, адже його нагнітання сполучене з атмосферою клапаном № 4, в той же час завдяки розширенню відхідних газів в турбіні турбокомпресора ТК № 1 забезпечується певна частота обертання його ротору, що зменшує час перехідних процесів при підключенні першої ступені стиснення повітря у роботу, таким чином, турбокомпресор ТК № 1 знаходиться в "гарячому резерві". Описаний режим роботи системи наддуву відповідає роботі двигуна з низькою частотою обертання колінчастого вала та при малих навантаженнях. При положенні запірних органів клапанів системи, яке відповідає Фіг. 3, тобто при закритому клапані № 1 перепуску відхідних газів повз турбіну турбокомпресора другого ступеня ТК № 2, закритому клапані № 2, що перекриває рух відхідних газів на вхід до турбокомпресора ТК № 3, закритому клапані № 5, що перекриває нагнітання компресора турбокомпресора ТК № 3, закритому клапані № 4, який сполучає всмоктування компресора турбокомпресора ТК № 2 з атмосферою, та закритому клапані № 3 перепуску повітря з всмоктування на нагнітання компресора турбокомпресора ТК № 2, компресор турбокомпресора ТК № 1 всмоктує повітря з атмосфери, стискує його та через проміжний охолоджувач наддувного повітря ОНП № 1 направляє на всмоктування турбокомпресора другого ступеня стиснення ТК № 2, в якому тиск наддувного повітря додатково збільшується і воно направляється через кінцевий охолоджувач наддувного повітря ОНП № 2 до повітряного ресивера двигуна 2, звідки повітря надходить в робочі циліндри 3; відпрацьовані гази з робочих циліндрів потрапляють до випускного колектора 4, звідки направляються на вхід в турбіну турбокомпресора ТК № 2, розширюються в турбіні, виконуючи корисну роботу, яка витрачається на привід компресора, та потрапляють в проміжний випускний колектор 5 і звідти на вхід до турбіни турбокомпресора ТК № 1, де додатково розширюються, приводячи в рух компресор, після чого відпрацьовані гази потрапляють до вихлопного трубопроводу 6 і далі в атмосферу. Описаний режим роботи системи наддуву відповідає роботі двигуна в середньому діапазоні зміни частоти обертання колінчастого валу та при середніх навантаженнях. Зазначимо також, що у разі перевищення гранично допустимого значення тиску наддувного повітря клапан № 1 може частково відкриватися, перепускаючи частину витрати відхідних газів з випускного колектора 4 до проміжного випускного колектора 5, якщо такого регулювання недостатньо для обмеження тиску в системі наддуву, додатково частково відкривається клапан № 2, направляючи частину відхідних газів на вхід в турбіну турбокомпресора ТК № 3, приводячи в рух його ротор, що при закритому клапані № 5, забезпечує переведення даного агрегату наддуву в "гарячий резерв". При положенні запірних органів клапанів системи, яке відповідає Фіг. 4, тобто при частково відкритому клапані № 1 перепуску відхідних газів повз турбіну турбокомпресора другого ступеня ТК № 2, відкритому клапані № 2, що перекриває рух відхідних газів на вхід до турбокомпресора ТК № 3, відкритому клапані № 5, що перекриває нагнітання компресора турбокомпресора ТК № 3, закритому клапані № 4, який сполучає всмоктування компресора турбокомпресора ТК № 2 з атмосферою, та закритому клапані № 3 перепуску повітря з всмоктування на нагнітання компресора турбокомпресора ТК № 2, компресори турбокомпресорів ТК № 1 та ТК № 3 всмоктують повітря з атмосфери, стискують його та через проміжний охолоджувач наддувного повітря ОНП № 1 направляють на всмоктування турбокомпресора другого ступеня стиснення ТК № 2, в якому тиск наддувного повітря додатково збільшується і воно направляється через кінцевий охолоджувач наддувного повітря ОНП № 2 до повітряного ресивера двигуна 2, звідки повітря надходить в робочі циліндри 3; відпрацьовані гази з робочих циліндрів потрапляють до випускного колектора 4, звідки частина газів направляються на вхід в турбіну турбокомпресора ТК № 2, розширюються в турбіні, виконуючи корисну роботу, яка витрачається на привід компресора, та разом з іншою частиною відхідних газів, що рухається через клапан № 1, потрапляють в проміжний випускний колектор 5 і звідти на вхід до турбін турбокомпресорів ТК № 1 та ТК № 3, де додатково розширюються, приводячи в рух компресори, після чого відпрацьовані гази потрапляють до вихлопного трубопроводу 6 і далі в атмосферу. Описаний режим роботи системи наддуву відповідає роботі двигуна в діапазоні підвищених значень частоти обертання колінчастого валу та при підвищеному навантаженні. При положенні запірних органів клапанів системи, яке відповідає Фіг. 5, тобто при відкритому клапані № 1 перепуску відхідних газів повз турбіну турбокомпресора другого ступеня ТК № 2, відкритому клапані № 2, що перекриває рух відхідних газів на вхід до турбокомпресора ТК № 3, відкритому клапані № 5, що перекриває нагнітання компресора турбокомпресора ТК № 3, закритому клапані № 4, який сполучає всмоктування компресора турбокомпресора ТК № 2 з атмосферою, та відкритому клапані № 3 перепуску повітря з всмоктування на нагнітання 3 UA 91912 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 компресора турбокомпресора ТК № 2, компресори турбокомпресорів ТК № 1 та ТК № 3 всмоктують повітря з атмосфери, стискують його та через проміжний охолоджувач наддувного повітря ОНП № 1 направляють через відкритий клапан № 3 повз компресор турбокомпресора другого ступеня стиснення ТК № 2,і далі через кінцевий охолоджувач наддувного повітря ОНП № 2 до повітряного ресивера двигуна 2, звідки повітря надходить в робочі циліндри; відпрацьовані гази з робочих циліндрів потрапляють до випускного колектора 4, звідки частина газів направляються на вхід в турбіну турбокомпресора ТК № 2, розширюються в турбіні, підтримуючи частоту обертання його ротору для збереження турбокомпресора ТК № 2 в "гарячому резерві", та разом з іншою частиною відхідних газів, що рухається через клапан № 1, потрапляють в проміжний випускний колектор 5 і звідти на вхід до турбін турбокомпресорів ТК № 1 та ТК № 3, де додатково розширюються, приводячи в рух компресори, після турбін турбокомпресорів ТК № 1 та ТК № 3 відпрацьовані гази потрапляють до вихлопного трубопроводу 6 і далі в атмосферу. Описаний режим роботи системи наддуву відповідає роботі двигуна в діапазоні високих значень частоти обертання колінчастого валу та при високому навантаженні. На Фіг. 6 виконане співставлення статичних (Фіг. 6а) та динамічних (Фіг. 6б) зовнішніх швидкісних характеристик дизельного двигуна типу 6ЧН 10,3/11, отриманих розрахунковим шляхом для трьох варіантів системи наддуву: одноступінчастий вільний газотурбінний наддув, двоступінчастий керований газотурбінний наддув (найближчий аналог запропонованої системи) та двоступінчастий керований газотурбінний наддув з першим регістровим ступенем стиснення повітря. З Фіг. 6 зрозуміло, що двигун, обладнаний запропонованою системою наддуву, розвиває суттєво більший крутний момент при низькій та середній частоті обертання колінчастого валу, особливо при роботі за динамічною зовнішньою швидкісною характеристикою. Використання запропонованого технічного вирішення дозволяє розширити робочий діапазон високофорсованого двигуна внутрішнього згоряння шляхом збільшення крутного моменту двигуна за низької та середньої частоти обертання колінчастого вала та підвищення ефективності роботи системи наддуву при роботі двигуна з високою частотою обертання колінчастого валу, що призводить також до збільшення коефіцієнтів пристосування двигуна за крутним моментом та частотою обертання; крім того, досягається суттєве покращення роботи двигуна на перехідних процесах, як внаслідок зменшення моментів інерції агрегатів наддуву через зменшення їх типорозміру, так і завдяки більш раціональному узгодженню характеристик лопаткових машин турбокомпресорів з поршневою частиною двигуна. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Система двоступінчастого газотурбінного наддуву, що складається з турбокомпресора першого ступеня стиснення повітря, турбокомпресора другого ступеня стиснення повітря, проміжного охолоджувача повітря, кінцевого охолоджувача повітря, клапана перепуску відхідних газів повз турбіну турбокомпресора другого ступеня до проміжного випускного колектора, клапану перепуску повітря зі всмоктування на нагнітання компресора другого ступеня стиснення, з'єднаних таким чином, що повітря з атмосфери засмоктується компресором турбокомпресора першого ступеня стиснення, стискується, подається на вхід до проміжного охолоджувача наддувного повітря, звідки надходить на всмоктування в компресор турбокомпресора другого ступеня стиснення, стискується і надходить в кінцевий охолоджувач наддувного повітря, повітряний ресивер двигуна і звідти в робочі циліндри двигуна, при цьому відхідні гази з робочих циліндрів надходять у випускний колектор, звідки направляються на вхід в турбіну турбокомпресора другого ступеня стиснення, після якої надходять у проміжний випускний колектор і далі на вхід в турбіну турбокомпресора першого ступеня стиснення, після якої направляються в атмосферу, яка відрізняється тим, що встановлюється додатковий турбокомпресор, клапан, що відкриває рух відхідних газів з проміжного колектора на вхід до турбіни додаткового турбокомпресора, та клапан перекриття нагнітання компресора додаткового турбокомпресора, таким чином, що додатковий компресор засмоктує повітря з атмосфери і подає стиснене повітря на вхід в турбокомпресор другого ступеня, працюючи паралельно за рухом повітря з турбокомпресором першого ступеня стиснення, а відхідні гази через клапан потрапляють з проміжного випускного колектора на вхід в турбіну додаткового турбокомпресора, яка працює паралельно за рухом відхідних газів з турбіною турбокомпресора першого ступеня, при цьому залежно від режиму роботи двигуна за допомогою клапанів системи забезпечуються або стиснення повітря лише в турбокомпресорі другого ступеня стиснення; або послідовне стиснення повітря в турбокомпресорі першого ступеня стиснення та 4 UA 91912 U 5 в турбокомпресорі другого ступеня стиснення; або послідовне стиснення повітря спочатку в турбокомпресорі першого ступеня стиснення та додатковому турбокомпресорі, які працюють паралельно, а потім в турбокомпресорі другого ступеня; або стиснення повітря в турбокомпресорі першого ступеня стиснення та додатковому турбокомпресорі, які працюють паралельно, з одночасним перепуском стисненого повітря повз турбокомпресор другого ступеня стиснення. 5 UA 91912 U 6 UA 91912 U 7 UA 91912 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8