Система наддування двигуна внутрішнього згоряння з каскадним обмінником тиску крайнюка

Реферат: Система наддування двигуна внутрішнього згоряння з каскадним обмінником тиску, в якому каскадний обмінник тиску має канал для підводу стискаючого середовища і канал для відводу стисненого повітря, сполучений з продувним вентилятором, вихідний патрубок якого з'єднано з впускним колектором двигуна і з впускним трактом турбіни привода продувного вентилятора. Випускний тракт турбіни підключено до теплообмінника глибокого охолодження, розміщеного у впускному колекторі двигуна. У впускному тракті турбіни розміщено перемикач стисненого середовища, підключений до байпасного трубопроводу, який сполучений з каналом для підведення стискаючого середовища каскадного обмінника тиску. У випускному тракті турбіни розміщено перемикач відпрацьованого середовища, підключений до відвідного трубопроводу, сполученого з атмосферою, причому обидва перемикачі з'єднані з блоком керування, який оснащений датчиком температури навколишнього середовища. UA 98420 C2 (12) UA 98420 C2 UA 98420 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до енергетичного машинобудування, зокрема до пристроїв для наддування двигунів внутрішнього згоряння. Відомо систему наддування двигуна внутрішнього згоряння з хвильовим обмінником тиску, що містить ротор з поздовжніми осередками і нерухомі торцеві плити, оснащені вікнами для підведення і відведення стискаючого газу і стисненого повітря [див. патент США № 2780405, кл. 417-64, опубл. 1957]. Недоліком відомого пристрою є вузький діапазон ефективної роботи внаслідок неузгодженості фаз руху первинних хвиль з геометрією газорозподільних вікон при відхиленні частоти обертання ротора і параметрів стискаючих газів від розрахункових значень, а також обмежений рівень форсування двигуна через підвищення температури наддувального повітря зі збільшенням тиску наддування. Крім того, неминучі дисипативні втрати у процесах формування і взаємодії ударних хвиль обмежує ККД кращих зразків хвильових обмінників тиску на розрахункових режимах значенням 0,55…0,56. За прототип вибирається система наддування двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) з каскадним обмінником тиску Крайнюка, що містить каскадний обмінник тиску (КОТ) з каналом для підведення стискаючого середовища і каналом для відведення стисненого повітря, сполученим з продувним вентилятором, вихідний патрубок якого з'єднаний з впускним колектором двигуна і з впускним трактом турбіни привода продувного вентилятора, випускний тракт турбіни підключено до холодильника глибокого охолодження, який розміщено у впускному колекторі двигуна [див. Крайнюк О.І.,.Алексеев С.В, Крайнюк А.О. Система наддування ДВЗ з глибоким охолодженням наддувочного повітря // Двигуни внутрішнього згоряння // Науковотехнічний журнал. Харків: НТУ "ХПИ", 2009. - № 2. - С. 59-65.]. У відомому пристрої надлишкова (відносно споживаного ДВЗ повітря) частина стиснутого у КОТ повітря після попереднього охолодження і наступного розширення у турбіні використовується як низькотемпературний холодоагент у охолоджувачі другого щабля наддувального повітря, встановленого у впускному колекторі ДВЗ. Механічна енергія турбіни, що вивільняється, витрачається на привід вентилятора, що здійснює продування каналів ротора КОТ і циліндрів двигуна. Недоліком відомої системи наддування є погіршення ефективних показників двигуна при його експлуатації в умовах холодного клімату. В умовах низьких температур навколишнього середовища відсутня необхідність у глибокому охолодженні наддувального повітря. Більше того, надмірне охолодження наддувального повітря у сполученні з інтенсивним охолодженням двигуна навколишнім середовищем погіршує умови своєчасного випарування і запалення палива у циліндрах, що призводить до погіршення потужнісних, економічних і екологічних показників роботи двигуна. Незгоріле паливо, осідаючи на внутрішній поверхні стінок циліндрів, просочується у картер, внаслідок чого мастильні властивості масла погіршуються. Крім того, інтенсивне зношування деталей двигуна при надмірному охолодженні наддувального повітря обумовлене збільшенням тривалості прогріву двигуна і підвищенням в'язкості масла у мастильній системі двигуна. Слід також зазначити, що при низьких температурах навколишнього середовища енергія, що вивільняється у турбіні, недостатня для забезпечення якісної продувки циліндрів і витиснення стисненого повітря у напірообмінних каналах ротора КОТ. Технічним результатом винаходу є підвищення ККД і потужності двигуна внутрішнього згоряння в умовах експлуатації двигуна при низьких температурах навколишнього середовища за рахунок відведення на цих режимах частини відпрацьованих газів на турбіну привода продувального агрегату і випуску газів, що розширилися у турбіні, в атмосферу, що приведе до збільшення тиску наддування, поліпшенню умов продування циліндрів двигуна і КОТ, зниженню роботи насосних ходів на здійснення процесів газообміну у ДВЗ. Поставлена задача вирішується тим, що у системі наддування двигуна внутрішнього згоряння з каскадним обмінником тиску Крайнюка, що містить каскадний обмінник тиску з каналом для підведення стискаючого середовища і каналом для відведення стисненого повітря, сполученим з продувним вентилятором, вихідний патрубок якого з'єднаний з впускним трактом двигуна і з впускним трактом турбіни привода продувального вентилятора, випускний тракт турбіни підключено до холодильника глибокого охолодження, який розміщено у впускному колекторі двигуна, відповідно до винаходу, у впускному тракті турбіни розміщено перемикач стисненого середовища, підключений до байпасного трубопроводу, сполученого з каналом для підведення стискаючого середовища каскадного обмінника тиску, у випускному тракті турбіни розміщено перемикач відпрацьованого середовища, підключений до відвідного трубопроводу, сполученого з атмосферою, причому обидва перемикачі сполучено з блоком керування, оснащеним датчиком температури навколишнього середовища. 1 UA 98420 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Розміщення у впускному тракті турбіни перемикача стисненого середовища, підключеного до байпасного трубопроводу, сполученого з каналом для підведення стискаючого середовища каскадного обмінника тиску, дозволить в умовах низької температури навколишнього середовища за рахунок підвищення температури і розташовуваного теплоперепаду газів, які підводяться до турбіни, підвищити потужність і частоту обертання вала турбовентилятора, що забезпечить збільшення ступеня стиснення повітря вентилятором, здійснення якісної циркуляції газоповітряних середовищ у лінії високого тиску КОТ і поліпшення продування циліндрів двигуна свіжим зарядом. Завдяки цьому забезпечується зниження роботи насосних ходів на здійснення газообміну двигуна, підвищується потужність і паливна економічність комбінованого двигуна. Розміщення у випускному тракті турбіни перемикача відпрацьованого середовища, підключеного до відвідного трубопроводу, сполученого з атмосферою, дозволить знизити опір випуску газів з турбіни в умовах низької температури навколишнього середовища за рахунок перепуску їх у атмосферу, що забезпечить додаткове підвищення потужності турбовентилятора і, врешті-решт, ККД двигуна. Крім того, відключення подачі холодоагенту у холодильник глибокого охолодження в умовах низької температури навколишнього середовища забезпечить підвищення температури наддувального повітря у впускній системі двигуна і досягнення раціонального температурного режиму його роботи згідно з критеріями паливної економічності і ресурсу. Підключення перемикачів до блока керування, оснащеного датчиком температури навколишнього середовища, дозволить залежно від температури навколишнього середовища організувати перерозподіл потоків газоподібних робочих середовищ на турбіну і на виході з неї, що, врешті-решт, поліпшить показники економічності двигуна в умовах холодного клімату, розширюючи, таким чином, діапазон ефективної роботи двигуна у різних кліматичних умовах. Суть винаходу пояснюється схематичним зображенням системи наддування двигуна внутрішнього згоряння з каскадним обмінником Крайнюка, яка містить каскадний обмінник тиску (КОТ) 1, у якому є ротор 2 з комірками 3, канал 4 для підведення свіжого повітря, оснащений продувним вентилятором 5, канал 6 для відведення стискаючого середовища, канал 7 для підведення стискаючого середовища, підключений до випускного колектора 8 двигуна 9, і канал 10 для відведення стисненого повітря, сполучений з продувним вентилятором 11, вихідний патрубок 12 якого оснащено охолоджувачем наддувального повітря 13 і з'єднано одночасно з впускним колектором 14 двигуна 9 і з відвідним трубопроводом 15, з'єднаним з впускним трактом 16 турбіни 17, розташованої на одному валу 18 з вентилятором 11. Випускний тракт 19 турбіни 17 за допомогою магістралі холодоагенту 20 підключено до холодильника глибокого охолодження 21, розміщеного у впускному колекторі 14 двигуна 9. У впускному тракті 16 турбіни 17 розміщений електромагнітний перемикач 22 стисненого середовища, до якого підключено байпасний трубопровід 23, сполучений з каналом 7 для підведення стискаючого середовища каскадного обмінника тиску 1, випускний тракт 19 турбіни 17 оснащено електромагнітним перемикачем 24 відпрацьованого середовища, сполученим перепускним трубопроводом 25 з атмосферою, причому перемикачі 22 і 24 підключені до блока керування 26, сполученого з датчиком 27 температури навколишнього середовища. Система наддування двигуна внутрішнього згоряння з каскадним обмінником Крайнюка працює наступним чином. Відпрацьовані у двигуні 9 гази через випускний колектор 8 і канал 7 для підведення стискаючого середовища підводяться у комірки 3 ротора 2, де в результаті робочого процесу КОТ 1, здійснюється стиснення повітря, що надходить у комірки 3 через канал 4 для підведення свіжого повітря під дією продувного вентилятора 5. Відпрацьовані гази, які розширилися, витискуються з комірок 3 свіжим повітрям у атмосферу через канал 6 для відведення стискаючого середовища, а стиснене у роторі 2 повітря направляється у канал 10 для відведення стисненого повітря, де його тиск додатково підвищується продувним вентилятором 11 до рівня, достатнього для подолання гідравлічного опору контуру високого тиску КОТ 1. У вихідному патрубку 12 продувного вентилятора 11 стиснене повітря попередньо прохолоджується в результаті теплообміну з навколишнім середовищем у охолоджувачі наддувального повітря 13 і потім розділяється на два потоки, один з яких направляється до впускного колектора 14 двигуна 9 через холодильник глибокого охолодження 21. При експлуатації двигуна 9 в умовах високої температури навколишнього середовища електромагнітний перемикач стисненого середовища 22 за сигналом блока керування 26, відповідно до показань датчика навколишнього середовища 27, перекриває байпасний трубопровід 23, одночасно сполучаючи впускний тракт 16 з відвідним трубопроводом 15, а електромагнітний перемикач 24 відпрацьованого середовища - перекриває перепускний 2 UA 98420 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 трубопровід 25, одночасно сполучаючи випускний тракт 19 з магістраллю холодоагенту 20. Через високу ефективність каскадного обмінника тиску масова витрата стисненого у КОТ 1 повітря значно перевищує масову витрату наддувального повітря, споживаного поршневою частиною двигуна 9. Надлишкова частина повітря, що нагнітається КОТ 1, через відвідний трубопровід 15 і впускний тракт 16 направляється до турбіни 17, де, розширюючись, прохолоджується до температури, значно нижчої за температуру навколишнього середовища, і далі через випускний тракт 19 і магістраль холодоагенту 20, відводиться у холодильник глибокого охолодження 21, здійснюючи глибоке охолодження наддувального повітря. Завдяки значному зниженню температури повітряного заряду істотно підвищується його щільність і збільшується масове наповнення циліндрів двигуна 9 повітрям. При цьому в умовах жаркого клімату реалізується можливість збільшення потужності двигуна 9 і підвищення його паливної економічності, як внаслідок збільшення діапазону граничних температур робочого циклу двигуна 9, так і внаслідок збільшення коефіцієнта надлишку повітря у процесі згоряння палива. Робота розширення стисненого повітря у турбіні 17 за допомогою вала 18 забезпечує обертання продувного вентилятора 11 і, таким чином, корисно витрачається на здійснення якісної продувки комірок 3 ротора 2 і циліндрів поршневої частини двигуна 9, що, у свою чергу, сприяє підвищенню потужності і економічності ДВЗ. При низькій температурі навколишнього середовища електромагнітний перемикач 22 стисненого середовища за сигналом блока керування 26 відповідно до показань датчика навколишнього середовища 27 перекриває відвідний трубопровід 15, одночасно сполучаючи впускний тракт 16 з байпасним трубопроводом 23, а електромагнітний перемикач 24 відпрацьованого середовища - перекриває магістраль холодоагенту 20, одночасно сполучаючи випускний тракт 19 з перепускним трубопроводом 25. Частина відпрацьованих газів через байпасний трубопровід 23 і впускний тракт 16 направляється до турбіни 17, де гази розширюються з перетворенням енергії потоку у механічну роботу привода вентилятора 11. Гази, що розширилися в турбіні 17, через випускний тракт 19 і перепускний трубопровід 25 відводяться в атмосферу. У цьому випадку циркуляція холодоагенту у холодильнику глибокого охолодження 21 припиняється, останній не робить охолоджуючого впливу на повітряний заряд, який надходить у циліндри двигуна 9, завдяки чому поліпшуються умови згоряння палива, підвищується ресурс і паливна економічність двигуна 9. Використання як робочого тіла у проточній частині турбіни 17 гарячих газів, теплоперепад яких значно перевищує відповідний показник стисненого повітря, забезпечує збільшення потужності турбіни 17, у результаті чого частота обертання вала 18 і вентилятора 11 зростає. Внаслідок цього ступінь підвищення тиску повітря у вентиляторі 11 збільшується, що сприяє підвищенню потужності і економічності установки за рахунок інтенсифікації продувки газів у циліндрах двигуна і збільшення позитивної складової роботи насосних ходів процесу газообміну. Таким чином, сукупність відмітних ознак пристрою забезпечує підвищення ККД і потужності двигуна внутрішнього згоряння в умовах експлуатації при низьких температурах навколишнього середовища. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 Система наддування двигуна внутрішнього згоряння з каскадним обмінником тиску, в якому каскадний обмінник тиску має канал для підводу стискаючого середовища і канал для відводу стисненого повітря, сполучений з продувним вентилятором, вихідний патрубок якого з'єднано з впускним колектором двигуна і з впускним трактом турбіни привода продувного вентилятора, випускний тракт турбіни підключено до теплообмінника глибокого охолодження, розміщеного у впускному колекторі двигуна, яка відрізняється тим, що у впускному тракті турбіни розміщено перемикач стисненого середовища, підключений до байпасного трубопроводу, який сполучений з каналом для підведення стискаючого середовища каскадного обмінника тиску, у випускному тракті турбіни розміщено перемикач відпрацьованого середовища, підключений до відвідного трубопроводу, сполученого з атмосферою, причому обидва перемикачі з'єднані з блоком керування, який оснащений датчиком температури навколишнього середовища. 3 UA 98420 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 4