ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С V-ОБРАЗНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ЦИЛИНДРОВ И С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ

Полезная модель относится к области двигателестроения и может применяться в конструкциях высокооборотных дизельных двигателей в мощностном диапазоне от 750 до 1500 кВт.
Известен двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом по патенту RU 2158373. Известный двигатель содержит два блока цилиндров, установленных на картере, образующих V-образный развал, впускной ресивер, закрепленный на картере в развале блоков и снабженный входными и выходными окнами. Турбокомпрессор закреплен на впускном ресивере и прикреплен к картеру. Выпускные коллекторы расположены на внешних поверхностях блоков и с помощью патрубков сообщены с турбиной турбокомпрессора. Впускные коллекторы расположены на внутренних поверхностях блоков и сообщены через впускной ресивер с улиткой компрессора турбокомпрессора. Улитка сообщена с входным окном ресивера. Выходное окно ресивера сообщено с впускными коллекторами посредством восходящих патрубков, проложенных вдоль внутренних поверхностей блоков.
Основным недостатком известного технического решения является то, что его система газотурбинного наддува не применима для высокооборотных двигателей мощностью от 750 до 1500 кВт, т.к. наличие в системе только одного турбокомпрессора, способного обеспечить одну степень сжатия, не сможет обеспечить объема наддувочного воздуха, достаточного для снабжения двигателя повышенной мощности. Кроме того, отсутствие в системе газотурбинного наддува охладителя наддувочного воздуха приведет к снижению мощности двигателя из-за пониженной плотности воздуха, поступающего в цилиндры двигателя.
Известен двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом по патенту RU 27163. Известный двигатель внутреннего сгорания с V-образным расположением цилиндров и с системой турбонаддува включает турбокомпрессоры, тройник подвода воздуха к турбокомпрессорам, тройник отвода наддувочного воздуха и систему охлаждения наддувочного воздуха. Тракт надувочного воздуха состоит из подводящих и отводящих трубопроводов, охладителя наддувочного воздуха, вход и выход которого сообщены соответственно с турбокомпрессорами и с впускным коллектором двигателя. Турбокомпрессоры размещены в передней верхней части двигателя на разной высоте, а тройник подвода воздуха прикреплен к переднему торцу блока цилиндров резьбовыми элементами через корпус водяных каналов и дополнительно служит для крепления электрогенератора и обводных роликов ременной передачи.
Недостатком известного технического решения, как и первого аналога, является невозможность применения его для высокооборотных двигателей мощностью от 750 до 1500 кВт, ввиду того, что в системе отсутствует компрессор высокого давления и располагаемый за ним по потоку охладитель наддувочного воздуха высокотемпературного контура, что не позволяет создать оптимальные плотность и температуру наддувочного воздуха, необходимые для работы высокооборотных двигателей повышенной мощности.
Известен двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом по патенту RU 2543109, принятый за прототип.
Систем газотурбинного наддува прототипа содержит ступень низкого давления, содержащую два турбокомпрессора, работающих на отработавших газах, и ступень высокого давления, содержащую один турбокомпрессор, работающий на отработавших газах, и дополнительный компрессор, приводимый в действие от двигателя внутреннего сгорания посредством механической передачи. В систему включен охладитель надувочного воздуха низкотемпературного контура, установленный по потоку перед первым компрессором высокого давления, а также включен охладитель надувочного воздуха высокотемпературного контура, установленный по потоку между компрессорами высокого давления.
Такое устройство системы газотурбинного наддува позволяет использовать ее при конструировании и изготовлении высокооборотных двигателей мощностью от 750 до 1500 кВт и выше, т.к. эта система обеспечивает подачу в цилиндры двигателя надувочного воздуха в достаточном объеме и оптимальной плотности, что в свою очередь обеспечивает высокие мощностные и экономические показатели двигателя.
Применение системы газотурбинного наддува двигателей по прототипу увеличивает число агрегатов, комплектующих двигателя, увеличивает количество, длину и вес некоторых трубопроводов относительно, например предыдущих аналогов, что увеличивает вес и габариты системы.
Описание изобретения по прототипу не предлагает технических решений по оптимизации массогабаритных показателей системы газотурбинного наддува.
Задачей предложенной полезной модели и ее техническим результатом является достижение оптимального размещения агрегатов и трубопроводов системы газотурбинного наддува на V-образном высокооборотном двигателе внутреннего сгорания повышенной мощности, приводящего к максимальному ограничению массо-габаритных показателей системы газотурбинного наддува и двигателя в целом.
Технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с V-образным расположением цилиндров и с газотурбинным наддувом, включающем два турбокомпрессора низкого давления, турбокомпрессор высокого давления, охладитель наддувочного воздуха высокотемпературного контура, охладитель наддувочного воздуха низкотемпературного контура, впускные патрубки и трубопроводы, выпускные трубопроводы, выхлопной тракт, соединительные трубопроводы, согласно полезной модели:
- охладитель наддувочного воздуха низкотемпературного контура расположен по потоку после охладителя наддувочного воздуха высокотемпературного контура, расположенного по потоку после турбокомпрессора высокого давления;
- выхлопной тракт снабжен эжекторами, причем два эжектора расположены в выхлопном тракте между выпускными трубопроводами и турбокомпрессором высокого давления, а два других эжектора расположены в выхлопном тракте по потоку за турбокомпрессорами низкого давления;
- турбокомпрессор высокого давления частично размещен в развале блоков цилиндров в передней части двигателя;
- турбокомпрессоры низкого давления размещены над блоками цилиндров также в передней части двигателя эквидистантно турбокомпрессору высокого давления;
- охладитель наддувочного воздуха высокотемпературного контура размещен над блоками цилиндров по потоку за турбокомпрессором высокого давления со стороны маховика двигателя;
- охладитель надувочного воздуха низкотемпературного контура размещен над блоками цилиндров по потоку за охладителем высокотемпературного контура со стороны маховика двигателя;
- эжекторы, расположенные в выхлопном тракте между выпускными трубопроводами и турбокомпрессором высокого давления, размещены в передней средней по высоте части двигателя эквидистантно продольной оси симметрии двигателя;
- эжекторы, расположенные в конце выхлопного тракта, размещены в передней верхней части двигателя эквидистантно продольной оси симметрии двигателя.
Турбокомпрессоры низкого давления с помощью патрубков соединены с циклонным воздухоочистителем.
Турбокомпрессоры низкого давления посредством тройника соединены с трубокомпрессором высокого давления.
Выпускной патрубок турбокомпрессора высокого давления присоединен к охладителю наддувочного воздуха высокотемпературного контура.
Охладитель наддувочного воздуха высокотемпературного контура и охладитель наддувочного воздуха низкотемпературного контура с помощью деталей крепления соединены в единый блок.
Турбокомпрессоры низкого давления прикреплены к кронштейну, закрепленному на двигателе.
Турбокомпрессор высокого давления прикреплен к кронштейну, закрепленному на двигателе и к тройнику, соединяющему турбокомпрессоры высокого и низкого давления.
Единый блок охладителей наддувочного воздуха с помощью крепежных деталей прикреплен к головкам блоков цилиндров и к впускным коллекторам двигателя.
Эжекторы расположенные в выхлопном тракте по потоку за выпускными трубопроводами, врезаны в трубопроводы выхлопного тракта в передней части двигателя и с помощью крепежных деталей прикреплены к элементам выхлопного тракта.
Эжекторы, расположенные в выхлопном тракте по потоку за турбокомпрессорами низкого давления, прикреплены к выхлопным патрубкам турбокомпрессоров низкого давления.
К полостям низкого давления эжекторов, расположенных по потоку в выхлопном тракте за турбокомпрессорами низкого давления, прикреплены патрубки, сообщающие эжекторы с поддоном для пыли циклонного воздухоочистителя.
Расположение охладителя наддувочного воздуха низкотемпературного контура по потоку после охладителя надувочного воздуха высокотемпературного контура, расположенного по потоку после турбокомпрессора высокого давления, позволяет соединить вышеупомянутые агрегаты наименьшими по длине, а значит и по весу трубопроводными деталями, что способствует снижению массогабаритных показателей двигателя.
Снабжение выхлопного тракта эжекторами способствует повышению мощностных и экономических показателей двигателя, а значит и уменьшению расчетных показателей двигателя в части массо-габаритных значений.
Размещение турбокомпрессора высокого давления частично в развале блоков цилиндров в передней части двигателя способствует уменьшению массо-габаритных показателей за счет того, что отпадает необходимость размещения за габаритами двигателя эквидистантно расположенных ему турбокомпрессоров низкого давления и за счет того, что уменьшается длина и вес тройника, соединяющего упомянутые агрегаты.
Размещение турбокомпрессоров низкого давления над блоками цилиндров также в передней части двигателя эквидистантно турбокомпрессору высокого давления решает совместно с представленными заявителем чертежами вопрос оптимального размещения агрегатов системы, габариты которых не выходят за габариты двигателя по ширине.
Размещение охладителей надувочного воздуха над блоками цилиндров, объединение их в один блок и присоединение турбокомпрессора высокого давления к охладителю надувочного воздуха высокотемпературного контура короткими соединительными деталями способствует снижению массо-габаритных показателей системы турбонаддува и двигателя в целом.
Размещение эжекторов в передней части двигателя эквидистантно продольной оси симметрии двигателя способствует снижению массо-габаритных показателей системы турбонаддува и двигателя в целом.
Сущность предложенной полезной модели поясняется схемами и чертежами.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема газотурбинного наддува. На фиг. 2 изображен вид спереди на двигатель с системой газотурбинного наддува.
На фиг. 3 показан вид слева на двигатель с системой газотурбинного наддува, идентичной виду справа.
На фиг. 4 представлен вид сверху на двигатель с системой газотурбинного наддува.
На фиг. 5 показан поперечный разрез двигателя с системой газотурбинного наддува.
На фиг. 6 показано крепление турбокомпрессоров высокого и низкого давления к кронштейну.
На фиг. 7 показано крепление охладителей наддувочного воздуха и кронштейна турбокомпрессоров, к головкам цилиндров.
На фиг. 8 показано крепление турбокомпрессоров высокого и низкого давления к тройнику.
На фиг. 9 показано крепление охладителя надувочного воздуха высокотемпературного контура к впускным коллеторам.
На фиг. 10 показано крепление выхлопных коллекторов к головкам цилиндров и эжекторов.
На фиг. 11 показан крепление патрубка с электроуправляемым клапаном к эжектору и турбокомпрессору высокого давления.
На фиг. 12 показано крепление охладителей надувочного воздуха друг к другу и к турбокомпрессору высокого давления.
На фиг. 13 показано крепление турбокомпрессоров высокого давления к турбокомпрессорам низкого давления.
На фиг. 14 показана схема питания двигателя сжатым и охлажденным воздухом.
На фиг. 15 изображена схема движения выхлопных газов.
Двигатель внутреннего сгорания с V-образным расположением цилиндров и с газотурбинным наддувом содержит циклонный воздухоочиститель 1 с поддоном для пыли (на схемах и чертежах не обозначенным), турбокомпрессоры 2 и 3 низкого давления, турбокомпрессор 4 высокого давления, охладитель 5 наддувочного воздуха высокотемпературного контура, охладитель 6 наддувочного воздуха низкотемпературного контура, впускные трубопроводы 7 наддувочного воздуха, трубопроводы 8 отработавших газов, левый и правый выхлопные тракты 9, эжекторы 10 и 12.
Циклонный воздухоочиститель 1 размещен в задней части двигателя на уровне своей верхней части не превышающий верхнего уровня охладителей 5 и 6 наддувочного воздуха и соединен патрубками 17 с турбокомпрессорами 2 и 3 низкого давления, размещенными над блоками цилиндров. Турбокомпрессор 4 высокого давления частично размещен в развале блоков цилиндров передней части двигателя, прикреплен посредством кронштейна 13 к двигателю и соединен посредством тройника 14 с турбокомпрессорами 2 и 3, также прикрепленными посредством кронштейна 13 к двигателю. Охладитель 5 наддувочного воздуха высокотемпературного контура и охладитель 6 наддувочного воздуха низкотемпературного контура с помощью деталей крепления объединены в единый блок, при этом блок прикреплен к головкам цилиндров с помощью патрубков и к впускным коллекторам 7. Блок охладителей размещен над блоками цилиндров по потоку за турбокомпрессором 4 высокого давления. Габариты блока охладителей 5 и 6 по высоте не превышают высоты турбокомпрессоров 2 и 3. Эжекторы 10 расположены в выпускных трактах 9 между выпускными трубопроводами 8 и турбокомпрессором 4 высокого давления и прикреплены к выпускным трубопроводам 8 и электроуправляемым клапанам 11. Эжекторы 12 расположены в конце выхлопных трактов 9 и прикреплены к элементам трактов. Электроуправляемые клапаны 11 и перепускные трубки 15 образуют байпасные линии, предназначенные для частичного (до 20%) перепуска выхлопных газов мимо турбокомпрессора 4 высокого давления. Эжекторы 12 с помощью патрубков 16 соединены с поддоном для пыли воздухоочистителя 1.
Газотурбинный наддув двигателя внутреннего сгорания с V-образным расположением цилиндров осуществляется в следующем порядке.
После запуска двигателя выхлопные газы через выпускные трубопроводы 8, выпускные тракты 9 и эжекторы 10 подводятся к турбине турбокомпрессора 4 высокого давления, из которой направляются в турбины турбокомпрессора 2 и 3 низкого давления, из которых через эжекторы 12 выбрасываются в атмосферу, попутно через патрубки 16, подсоединенные к полости низкого давления эжекторов 12, вытягивают пыль из поддона воздухоочистителя 1. Выхлопные газы, вращая турбины компрессоров 4, 2 и 3, приводят в действие их компрессоры, а воздух, очищенный в воздухоочистителе 1, через патрубки 17 поступает к компрессорам 2, 3 и 4. При этом в компрессорах турбокомпрессоров 2 и 3 осуществляется первая ступень сжатия воздуха. Сжатый воздух через тройник 14 поступает в турбокомпрессор 4 высокого давления, где осуществляется вторая ступень сжатия надувочного воздуха. Сжатый и горячий воздух из турбокомпрессора 4 поступает в охладитель 5 высокотемпературного контура, затем поступает на вторую ступень охлаждения в охладитель 6 низкотемпературного контура. Сжатый и охлажденный надувочный воздух подается через патрубки во впускные трубопроводы 7, из которых поступает в цилиндры двигателя.
Для обеспечения совместной работы двигателя и агрегатов наддува без помпажа в рабочем диапазоне по частоте и нагрузкам электроуправляемые клапаны 11 по сигналам системы управления двигателем частично (до 20%) перепускают выхлопные газы мимо турбокомпрессора высокого давления 4 через байпасные трубки 15 на турбины турбокомпрессоров 2 и 3 низкого давления.