СИСТЕМА ТУРБОНАДДУВА ДИЗЕЛЯ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ГАЗОВ ЧЕРЕЗ ТУРБИНУ

Полезная модель относится к области двигателестроения и может быть использована для повышения эффективности турбонаддува дизелей различного назначения. Полезная модель направлена на повышение мощности и экономичности дизелей с наддувом за счет совершенствования воздухоснабжения и повышения качества продувки его рабочих цилиндров от остаточных газов.
Система турбонаддува дизеля предназначена для обеспечения подачи воздуха в цилиндры дизеля (воздухоснабжения) с использованием энергии выпускных газов и для отвода выпускных газов в атмосферу. Система турбонаддува дизеля может быть реализована по различным компоновочным схемам. В общем случае система содержит рабочие цилиндры дизеля, каналы для выпуска газов из цилиндров в выпускной коллектор, выпускной коллектор газов из цилиндров дизеля, газовую турбину, канал отвода газов после турбины в атмосферу, воздушный компрессор, приводимый в работу газовой турбиной с помощью механической передачи, охладитель наддувочного воздуха, воздушный ресивер, из которого воздух подается в рабочие цилиндры дизеля, см. кн. [Хандов З.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания (теория). - М.: Транспорт, 1975. - 368 с. - рис. 130, с. 213], кн. [Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. - Л.: Судостроение, 1977. - 392 с. - рис. 21.8, с. 252]. При этом коллектор выпускных газов предназначен для сбора газов, периодически выходящих из всех цилиндров дизеля и направления их к газовой турбине.
Мощность и экономичность дизеля в значительной степени определяются эффективностью воздухоснабжения его рабочих цилиндров. Чем большее количество воздуха находится в цилиндре к моменту начала сжатия в цилиндре, тем быстрее и полнее сгорает порция топлива, поступившего в него, и тем выше коэффициент полезного действия (КПД) рабочего процесса. Одними из основных факторов, определяющих эффективность воздухоснабжения, являются давление воздуха в воздушном ресивере перед цилиндрами и величина перепада давлений перед и после цилиндра в период продувки цилиндра.
Известно, что газотурбинный наддув является наиболее экономичным из всех видов наддува. При его рациональном применении, помимо существенного роста агрегатной мощности дизеля, возрастает также и коэффициент полезного действия дизеля, см. кн. [Дьяченко Н.Х. и др. Теория двигателей внутреннего сгорания. - Л.: Машиностроение, 1974. - 552 с. - с. 201]. Поэтому увеличение давления наддувочного воздуха в воздушном ресивере способствует повышению коэффициента полезного действия дизеля
Продувка цилиндра осуществляется с помощью воздуха с целью удаления из цилиндра остатков продуктов сгорания топлива (остаточных газов) для наиболее полного заполнения цилиндра свежим воздухом. Интенсивность продувки цилиндра зависит от перепада давлений перед и после цилиндра, который, в свою очередь, зависит от давления наддува и газодинамического сопротивления на выпуске дизеля. Известно, что увеличение перепада давлений на продувку цилиндра способствует повышению эффективности этого процесса, что, в свою очередь, приводит к повышению эффективности работы дизеля, см. кн. [Камкин С.В., Возницкий И.В., Шмелев В.П. Эксплуатация судовых дизелей. - М.: Транспорт, 1990. - 344 с. - с. 114-115].
Кроме того, известно, что выпуск газов из рабочего цилиндра в выпускной коллектор в своей первоначальной фазе сопровождается высокой скоростью движения этих газов (до 500-700 м/с), см. кн. [Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. - Л.: Судостроение, 1977. - 392 с. - с. 175-176]. Затем скорость движения газов снижается в выпускном коллекторе, а основная доля энергии скоростного импульса теряется. При этом имеется потенциальная возможность полезного использования энергии периодических импульсов скорости движения газов из цилиндров дизеля для организации рационального движения выпускных газов в системе наддува.
Техническая проблема состоит в том, что сложно обеспечить максимально возможное количество воздуха, поступившего в рабочие цилиндры дизеля к моменту начала сжатия воздуха в цилиндрах.
Известно устройство, описанное в патенте ЕР 0615059 А1 (опубликовано 14.09.1994) и содержащее двигатель внутреннего сгорания, который имеет два ряда цилиндров, расположенных по V-образной схеме, воздушный ресивер, расположенный между рядами цилиндров и питающий воздухом цилиндры обеих рядов, выпускные каналы, отводящие выпускные газы из цилиндров в два коллектора соответствующих рядов цилиндров, турбокомпрессор, включающий воздушный компрессор и газовую турбину, которая работает на газах одного коллектора, при этом газы коллектора другого ряда цилиндров подаются на эжектор, который дополнительно отсасывает газы от газовой турбины турбокомпрессора и направляет их в газоотводящий трубопровод двигателя. Устройство позволяет повысить мощность газовой турбины, что увеличивает давление наддува.
Недостатком устройства является сложность обеспечения одинаковой загрузки цилиндров обеих рядов двигателя. Кроме того, устройство не полностью использует импульсную часть энергии газов, периодически выходящих из цилиндров в коллекторы.
Известна силовая установка, описанная в патенте SU 1442686 А1 (опубликовано 07.12.1988) и содержащая двигатель внутреннего сгорания, турбокомпрессор, включающий газовую турбину, утилизационный парогенератор, использующий энергию выпускных газов после турбины турбокомпрессора, утилизационную паровую турбину, приводящую воздушный компрессор, охладитель отработавшего в турбине пара, конденсатор, циркуляционный насос, прокачивающий конденсат последовательно через зарубашечное пространство охлаждения цилиндров двигателя и воздухоохладитель, эжектор, использующий энергию воздуха от парового турбокомпрессора для рециркуляции части выпусных в утилизационном парогенераторе газов через газовую турбину турбокомпрессора, а также вспомогательного эжектора, использующего энергию воздуха от парового турбокомпрессора для понижения давления газа за утилизационным парогенератором. Устройство предназначено для повышения мощности газовой турбины турбокомпрессора, давления наддува и, соответственно мощности двигателя внутреннего сгорания.
Недостатком устройства является сложность установки, одновременное использование газообразных и парообразных рабочих тел, низкая надежность, резкое снижение мощности парового турбокомпрессора при уменьшении мощности двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, устройство не полностью использует импульсную часть энергии газов, периодически выходящих из цилиндров в коллектор выпускных газов.
Известна газотурбинная система с пульсирующим газовым потоком от двигателя внутреннего сгорания, описанная в патенте WO 2016/179671 А1 (опубликовано 17.11.2016). По совокупности признаков данное устройство является ближайшим аналогом заявляемой полезной модели.
Данное устройство состоит из двигателя внутреннего сгорания, газовой турбины, выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания, трубы или системы для отвода выпускных газов, потребителя механической энергии газовой турбины, эжектора, трубы с невозвратным клапаном для подсоса части выпускных газов турбины на повторное расширение в турбине. Устройство ближайшего аналога обеспечивает уменьшение амплитуд колебаний давления и скорости газового потока в газовой турбине, а также увеличение его общей массы, чем решается задача повышения средневзвешенного КПД газовой турбины газотурбинной системы с пульсирующим газовым потоком от двигателя внутреннего сгорания и таким образом увеличения КПД системы в целом.
Недостатком устройства ближайшего аналога является неполное использование энергии импульсов газов при периодическом свободном истечении из цилиндров для организации рециркуляции газов через турбину с помощью эжектора и дополнительное повышение давления за цилиндрами в период их продувки, что ухудшает качество очистки цилиндров от оставшихся продуктов сгорания, снижает экономичность и ресурс дизеля.
Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении эффективности работы системы турбонаддува дизеля и дизеля в целом. Технический результат заключается в увеличении массы воздуха, поступившего в рабочие цилиндры дизеля к моменту начала сжатия воздуха в цилиндрах, что приводит к повышению скорости и полноты сгорания топлива в цилиндрах и, как следствие, к повышению мощности и экономичности дизеля в целом.
Задача решается тем, что система турбонаддува дизеля, содержащего рабочие цилиндры, содержит каналы для выпуска газов из цилиндров в коллектор выпускных газов, коллектор выпускных газов из цилиндров дизеля, газовую турбину турбокомпрессора, канал отвода газов после турбины в атмосферу, воздушный компрессор турбокомпрессора, приводимый в работу от газовой турбины турбокомпрессора с помощью механической передачи, охладитель наддувочного воздуха, воздушный ресивер, из которого воздух подается в рабочие цилиндры дизеля, и отличается тем, что, в каждом из каналов для выпуска газов из рабочих цилиндров дизеля в коллектор выпускных газов расположены эжекторы, работающие на энергии периодических импульсов движения выпускных газов во время интенсивного выпуска газов из цилиндров дизеля, при этом система также содержит каналы, соединяющие выпуск газов из турбины турбокомпрессора с всасывающими полостями указанных выше эжекторов. Причем в каждом канале установлены невозвратные клапаны, которые предотвращают обратный заброс выпускных газов из цилиндров дизеля в выпускной канал газовой турбины турбокомпрессора, минуя турбину.
Система турбонаддува дизеля с рециркуляцией газов через турбину показана на фиг. 1. Система турбонаддува дизеля с рециркуляцией газов через турбину состоит из рабочих цилиндров 1 дизеля, каналов 2 для выпуска газов из цилиндров в коллектор выпускных газов, коллектора выпускных газов 3 из рабочих цилиндров, газовой турбины 4 турбокомпрессора, канала 5 отвода газов после турбины в атмосферу, воздушного компрессора 6 турбокомпрессора, механической передачи 7 для привода компрессора от газовой турбины, охладителя наддувочного воздуха 8, воздушного ресивера 9, эжекторов 10, каналов 11, соединяющих выпуск газов из турбины 4 с всасывающими полостями эжекторов 10, невозвратных клапанов 12, установленных на каналах 11.
Указанные элементы системы турбонаддува находятся в функционально-конструктивном единстве и в совокупности образуют единое устройство. Каждый элемент системы, выполняя свою функцию, одновременно обеспечивает работу других элементов системы. Совместная работа указанных элементов обеспечивает качественное выполнение функции всей системой турбонаддува дизеля, которая заключается в эффективном снабжении воздухом рабочие цилиндры дизеля с использованием энергии выпускных газов.
Сущность полезной модели состоит в том, что, в отличие от ближайшего аналога, заявляемая система турбонаддува обеспечивает более полное использование импульсной энергии движения выпускных газов, которые периодически с большой скоростью выходят из рабочих цилиндров в коллектор выпускных газов. Для этого система турбонаддува содержит эжекторы на выпуске газов из каждого цилиндра дизеля, которые используют импульсную энергию движения газов после цилиндров для подсоса части газов из канала отвода газов после турбины турбокомпрессора. Тем самым в системе турбонаддува организована рециркуляция части выпускных газов через турбину. Это приводит к повышению мощности турбины и к повышению эффективности работы системы турбонаддува дизеля.
На фиг. 1 показана схема системы турбонаддува дизеля с рециркуляцией газов через турбину, где обозначены: 1 - рабочий цилиндр дизеля; 2 - канал для выпуска газов из цилиндра в коллектор выпускных газов; 3 - коллектор выпускных газов из рабочих цилиндров; 4 - газовая турбина турбокомпрессора; 5 - канал отвода газов после турбины в атмосферу; 6 - воздушный компрессор турбокомпрессора; 7 - механическая передача для привода компрессора от газовой турбины; 8 - охладитель наддувочного воздуха; 9 - воздушный ресивер; 10 - эжектор; 11 - каналы, соединяющие выпуск газов из турбины с всасывающими полостями эжекторов; 12 - невозвратный клапан.
Система турбонаддува дизеля с рециркуляцией газов через турбину работает следующим образом. Предварительно рассмотрим работу системы на примере одного цилиндра дизеля. При открытии выпускных органов рабочего цилиндра 1 газораспределительной системы работающего дизеля, газы, находящиеся в цилиндре, с высокой скоростью выходят из цилиндра 1 через канал 2 в активное сопло эжектора 10, где большая доля энергии импульсного скоростного напора используется для подсоса части газов из канала 5 отвода газов после турбины 4. Подсос реализуется через канал 11 с невозвратным клапаном 12. Далее полученная в эжекторе 10 смесь газов нагнетается в коллектор 3 выпускных газов из цилиндров дизеля с последующей подачей на всасывание газовой турбины 4.
Аналогичные процессы имеют место в других цилиндрах дизеля, но смещены относительно друг друга на определенный угол поворота коленчатого вала в зависимости от количества рабочих цилиндров дизеля.
Подсос части газов, выходящих из турбины 4, и их рециркуляция для повторного расширения в турбине 4 увеличивает массовый расход газов через турбину, что приводит к повышению мощности турбины и, соответственно, мощности компрессора 6 турбокомпрессора. В результате этого повышается давление наддува, т.е. давление воздуха в ресивере 9. Вследствие этого, увеличивается масса воздуха, поступившего в рабочие цилиндры дизеля 1 к моменту начала сжатия воздуха в цилиндрах, что приводит к повышению скорости и полноты сгорания топлива в цилиндрах и, как следствие, к повышению мощности и экономичности дизеля в целом.
При этом увеличение массы воздушного заряда в цилиндрах 1 дизеля обеспечивается следующими факторами:
- повышение давления и плотности воздуха в ресивере 9 перед цилиндрами;
- повышение полноты очистки объемов цилиндров от остаточных газов вследствие повышения перепада давлений перед и после цилиндров в период продувки цилиндров дизеля.
Таким образом, заявляемая система турбонаддува дизеля с рециркуляцией газов через турбину имеет повышенную эффективность работы, что приводит к повышению эффективности работы дизеля.
В заявляемой системе турбонаддува дизеля с рециркуляцией газов через турбину, в отличие от аналогичных устройств, обеспечено увеличение массы воздуха, поступившего в рабочие цилиндры дизеля к моменту начала сжатия воздуха в цилиндрах, что приводит к повышению скорости и полноты сгорания топлива в цилиндрах и, как следствие, к повышению мощности и экономичности дизеля в целом.
Заявляемое устройство является промышленно применимым, поскольку для его реализации достаточно использовать общеизвестные способы изготовления и монтажа деталей из типовых конструкционных материалов.