ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ТУРБОНАДДУВОМ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к турбонаддувным двигателям внутреннего сгорания.
Среди всех комплектующих деталей двигателя, турбонагнетатель работает в очень жестких условиях: при высокой температуре и высокой частоте вращения ротора. В современных бензиновых двигателях, температура отработавших газов 1000°K-1200°K, а в дизельных двигателях, температура отработавших газов 800°K-1000°K. Рабочая частота вращения ротора находится в диапазоне от нескольких десятков тысяч оборотов в минуту до более чем 200000 об/мин. При такой высокой температуре и частоте вращения, высоки требования к турбине и подшипникам. Поэтому требуются очень надежные жаропрочные материалы и сложная система смазки. Хотя много методов применяется, ресурс турбонагнетателя еще не очень большой. Поэтому новая технология для улучшения рабочих условий турбонагнетателя очень востребована.
Известен способ повышения надежности путем управления частотой вращения турбонагнетателей при разных режимах. Путем перепуска на режиме работы двигателя с перепуском основная часть выпускных газов поступает через безлопаточный направляющий аппарат на рабочее колесо турбины в направлении вращения колеса. При этом перепускаемая часть выпускных газов через открытый перепускной клапан, расположенный в выпускном трубопроводе до безлопаточного направляющего аппарата турбины, поступает в безлопаточный направляющий аппарат и оттуда на рабочее колесо турбины в направлении обратном вращению колеса (патент RU №2253026, МПК F02B 37/18, 37/02). Однако, известный способ управления частотой вращения турбонагнетателя при неизменной температуре не обеспечивает повышение надежности его работы.
Известен способ улучшения надежности, ресурса путем управления частотой вращения турбонагнетателей при разных режимах и поршневой двигатель для осуществления способа (патент RU №2511878, МПК F02D 13/02, F02D 41/00, F02D 37/22, опубл. 27.05.2005), ближайший по технической сущности и принятый за прототип. Поршневой двигатель содержит впускной и выпускной клапаны, систему привода впускного и выпускного клапанов и турбонагнетательное устройство. Турбонагнетательное устройство содержит компрессорную часть, соединенную по потоку со стороной впуска с впускными клапанами, и турбинную часть, соединенную по потоку со стороной выпуска с выпускными клапанами. Когда двигатель работает в режиме выше заданной нагрузки, то рабочая точка компрессорной части на графике компрессора перемещается дальше от линии пульсации, увеличивая воздушный поток между выпуском компрессорной части и впуском турбинной части посредством увеличения перекрытия периода открытия клапанов. Раскрыта система управления для поршневого двигателя с турбонаддувом. Технический результат заключается в увеличении надежности работы компрессора. Однако, в известном устройстве не обеспечивается достаточная надежность и ресурс работы турбонагнетателя при разных режимах его работы, что приводит к недостаточной надежности работы двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение заключается в повышении надежности работы двигателя и повышении ресурса работы турбонагнетателя и снижении его себестоимости.
Технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с турбонаддувом, содержащем, по меньшей мере, один цилиндр, поршень, впускной и выпускной клапаны, систему привода впускного и выпускного клапанов, водяную систему охлаждения цилиндров и турбонагнетательное устройство, содержащее компрессорную часть, соединенную по потоку со стороной впуска топливо-воздушной смеси во впускные клапаны, и турбинную часть, соединенную по потоку со стороной выпуска выхлопных газов из выпускных клапанов, водяная система охлаждения и компрессорная часть турбонагнетательного устройства содержат теплообменники, соответственно для охлаждения воды и сжатого воздуха от компрессора, новым является то, что перед турбинной частью турбонагнетательного устройства со стороны выпуска выхлопных газов из выпускных клапанов цилиндра, установлена, по меньшей мере, одна форсунка, сообщенная каналом с водяной системой охлаждения после охлаждения цилиндров.
В двигателе внутреннего сгорания, имеющем систему охлаждения цилиндров течет вода. При этом цилиндры двигателя охлаждаются, а вода нагревается. Через одну, или несколько форсунок впрыскивают хорошо распыленную нагретую воду в канал газа перед турбинной частью турбонагнетательного устройства. Поглощая теплоту, капельки воды испаряются, и температура газа намного снижается. При этом увеличиваются расход, плотность рабочего тела и газовая постоянная. Работа турбины, снижается немного, но удовлетворяет потребностям компрессора, который сжимает воздух перед цилиндром.
На фигуре изображена схема двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом.
Здесь: 1 - бак для воды системы охлаждения; 2 - подкачивающий насос; 3, 5, 6 - цилиндры двигателя, где происходит горение; 4 - рубашка охлаждения цилиндров; 7 - водяная форсунка; 8 - турбинная часть турбонагнетательного устройства: 9 - компрессорная часть турбонагнетательного устройства; 10 - регулятор расхода воды; 11 - теплообменник компрессорной части турбонагнетательного устройства для охлаждения сжатого воздуха от компрессора; 12 - теплообменник в водяной системе охлаждения для охлаждения воды
При пуске двигателя внутреннего сгорания, топливо горит в цилиндрах 3, 5, 6 вода из бака 1 под действием подкачивающего насоса 2 течет в охлаждающую рубашку 4 цилиндров 3, 5, 6, при этом цилиндры 3, 5, 6 охлаждаются, а вода нагревается. На выходе из охлаждающей рубашки 4 системы охлаждения цилиндров, часть воды течет через теплообменник 12, в котором охлаждается и возвращается в бак 1. Часть воды через регулятор расхода воды 10 течет в форсунки 7 и впрыскивается в канал подачи выхлопных газов в турбинную часть турбонагнетательного устройства, где испаряется. Поглощая теплоту, капельки воды испаряются, и температура газа намного снижается. При этом увеличиваются расход рабочего тела, плотность рабочего тела и газовая постоянная. Работа турбины, снижается немного, но удовлетворяет потребностям компрессора, который сжимает воздух перед цилиндром. Возможность значительного снижения температуры рабочего тела позволяет, при сохранении необходимой работы турбонагнетателя, значительно продлить ресурс турбонагнетателя, упростить систему смазки, снизить потребность в дорогостоящих материалах и себестоимость турбонагнетателя.