Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH UTILIZATION OF HEAT OF EXHAUST GASES

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для повышения эффективности работы двигателей внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов (ОГ).
Известен двигатель внутреннего сгорания (ДВС), содержащий впускной и выпускной коллекторы, каталитический нейтрализатор, клапан рециркуляции ОГ с электроприводом и электронным блоком управления, систему выпуска ОГ с датчиком температуры ОГ, установленным на входе в каталитический нейтрализатор и связанным с электронным блоком управления, вихревую трубку, то есть трубку Ранка, состоящую из основной и тангенциально подсоединенной трубок, расположенную на выходе ОГ из цилиндров двигателя и имеющую на одном конце дроссель, связанный с электронным блоком управления, и выходной патрубок подогретого потока ОГ, а на другом конце - выходной патрубок подогретого потока ОГ, который разделен на перепускной патрубок охлажденных ре-циркулируемых ОГ и подводящий патрубок с клапаном регулирования количества холодных ОГ в направлении каталитического нейтрализатора ОГ (патент RU 134995, МПК F01N 3/28 (2006.01)).
Основным недостатком описанного ДВС является не высокий общий коэффициент полезного действия вследствие отсутствия возможности полноты использования энергии отработавших газов, так как, во-первых, тангенциальный подвод ОГ в вихревую трубку, то есть в трубку Ранка, сопровождается повышенными гидравлическими сопротивлениями, так как при истечении ОГ из тангенциально подсоединенной трубки в основную трубку происходит внезапное расширение потока, во-вторых, для утилизации теплоты ОГ не используется разделение потока на горячий и холодный из-за отсутствия теплообменника.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является ДВС, содержащий головку цилиндров с впускными каналами, в которых размещены сменные патрубки с лопаточными завихрителями, поверхность каждого из которых образована вращением относительно оси и перемещением вдоль нее образующей, пересекающей внутренний диаметр канала таким образом, что след от пересечения этой образующей с поверхностью канала образует винтовую линию, исполненную в соответствии с уравнением лемнискаты Бернулли, обладающей свойством безотрывного течения, выпускные каналы, турбокомпрессор (патент RU 2667828, МПК F02В 31/04 (2006.01)! F 02 М 29/06 (2006.01)).
Недостатками описанного ДВС являются не высокий общий коэффициент полезного действия вследствие отсутствия возможности наиболее полного употребления энергии отработавших газов вследствие использования лопаточных завихрителей только для создания вихревого потока свежего заряда в цилиндре ДВС и отсутствия возможности использования лопаточных завихрителей для разделения потока ОГ на горячий и холодный без введения теплообменника; высокие затраты на закрутку потока ОГ, так как лопаточные завихрители обладают малыми сопротивлениями; отсутствие утилизации теплоты ОГ; отсутствие утилизации теплоты в системе отопления. Так разделение потока на горячий и холодный не может быть осуществлено для утилизации теплоты ОГ из-за отсутствия теплообменника, и не может быть осуществлено для снижения высокой температуры ОГ перед турбиной турбокомпрессора.
?
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании ДВС с утилизацией теплоты ОГ с повышенным общим коэффициентом полезного действия, пониженными затратами энергии для закрутки потока ОГ, утилизациейтеплоты в системе отопления.
Решение этой технической проблемы достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов, содержащем лопаточный завихритель, поверхность которого образована вращением относительно оси и перемещением вдоль нее образующей, пересекающей внутренний диаметр канала таким образом, что след от пересечения этой образующей с поверхностью канала образует винтовую линию, исполненную в соответствии с уравнением лемнискаты Бернулли, обладающей свойством безотрывного течения потока, согласно изобретению лопаточный завихритель установлен при выходе отработавших газов из выпускного коллектора двигателя внутреннего сгорания и на входе во введенный теплообменник со спиральной гофрированной стенкой, создавая в нем эффект Ранка. На выходе из теплообменника по периферии установлены перепускные клапаны,дросселирующие часть более горячих отработавших газов в атмосферу при их высокой температуре перед турбиной турбокомпрессора. Между теплообменником и турбиной турбокомпрессора установлена труба подвода менее горячих отработавших газов из теплообменника к турбине турбокомпрессора. Двигатель снабжен термостатом, направляющим для ускорения прогрева масла подогретую в теплообменнике охлаждающую жидкость по малому контуру через змеевик поддона двигателя и направляющим для поддержания оптимальной температуры масла охлажденную жидкость через змеевик поддона двигателя, прошедшую по большому контуру через радиатор или систему отопления, связанными с большим контуром.
Кроме того, внутренняя труба теплообменника выполнена со спиральными ребристыми стенками, увеличивающими теплоотдачу от более горячих отработавших газов в охлаждающую жидкость.
Повышение общего коэффициента полезного действия ДВС обусловлено более эффективным использованием энергии ОГ.
Снижение затрат энергии для закрутки потока ОГ обусловлено меньшими гидравлическими сопротивлениями лопаточного завихрителя на выпуске.
Утилизация теплоты ОГ обусловлена введением теплообменника. Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого ДВС с утилизацией теплоты ОГ; на фиг. 2 представлен вид А с разрезом теплообменника фиг. 1.
Кроме этого, на чертеже дополнительно обозначено следующее:
- сплошной линией со стрелками показано направление движения охлаждающей жидкости (ОЖ) по малому контуру (фиг. 1);
- пунктирной линией со стрелками показано направление движения ОЖ по большому контуру (фиг. 1);
- горизонтальной линией со стрелкой, обращенной слева направо, перед выпускным коллектором, показано направление подвода ОГ из выпускного коллектора ДВС через лопаточный завихритель, установленный на входе в теплообменник (фиг. 2);
- наклонной линией со стрелкой показано направление рециркулируемых ОГ через перепускные клапаны в атмосферу (фиг. 2);
- горизонтальной линией со стрелкой, обращенной слева направо, показано направление подвода ОГ из средней части теплообменника к турбине турбокомпрессора (фиг. 2);
- вертикальнбй линией со стрелкой справа вниз показано направление движения ОГ в атмосферу (фиг. 1, 2).
Предлагаемый ДВС с утилизацией теплоты ОГ содержит ДВС 1, лопаточный завихритель 2, установленный на выходе ОГ из выпускного коллектора 3 и входе в теплообменник 4 со спиральной гофрированной стенкой 5, создавая в нем эффект Ранка. Поверхность лопаточнвго завихрителя 2 образована вращением относительно оси и перемещением вдоль нее образующей, пересекающей внутренний диаметр канала таким образом, что след от пересечения этой образующей с поверхностью канала образует винтовую линию, исполненную в соответствии с уравнением лемнискаты Бернулли, обладающей свойством безотрывного течения потока.
На выходе из теплообменника 4 по периферии установлены перепускные клапаны 6, дросселирующие часть более горячих ОГ через перепускную трубу 7 в атмосферу при их высокой температуре перед турбиной турбокомпрессора 8. Между теплообменником 4 и турбиной ТКР 8 установлена труба подвода 9 для подвода менее горячих ОГ из теплообменника 4 к турбине турбокомпрессора 8.
ДВС 1 снабжен термостатом 10, направляющим для ускорения прогрева масла подогретую в теплообменнике 4 ОЖ по малому контуру 11 через змеевик 12 поддона 13 ДВС 1 и направляющим для поддержания оптимальной температуры масла в поддоне 13 охлажденную ОЖ через змеевик 12 поддона 13, прошедшую по большому контуру 14 через радиатор 15 или систему отопления (не показана), связанными с большим контуром. Принудительная циркуляция ОЖ через внутреннюю полость 16 теплообменника, образованную между гофрированной стенкой 5 и наружной стенкой 17, осуществляется насосом 18.
Внутренняя труба теплообменника 4 выполнена со спиральными ребристыми стенками, увеличивающими теплоотдачу от более горячих ОГ в ОЖ.
Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов работает следующим образом.
Из цилиндров поршневого ДВС 1 ОГ, проходя через выпускной коллектор 3, попадают в теплообменник 4, на входе которого происходит закрутка потока посредством лопаточного завихрителя 2, выполненного по лемнискате Бернулли, причем известно, что такая геометрия лопаточного завихрителя обладает малыми сопротивлениями.
В теплообменнике 4 закрученный поток разделяется на два (эффект Ранка) - менее горячие ОГ, которые направляются по среднему сечению внутренней трубы теплообменника 4, и более горячие ОГ, которые направляются по периферии внутренней трубы теплообменника 4. Последний поток направлен по касательной увеличенной поверхностью гофрированной стенки 5, что уменьшает гидравлические сопротивления, и, соприкасаясь с ребристыми стенками 5 теплообменника 4, увеличивает теплоотдачу в систему охлаждения за счет большего перепада температур между ОГ и ОЖ, а также увеличения поверхности. Направление циркулирующей ОЖ в теплообменнике 4 между гофрированной стенкой 5 и наружной стенкой 17 в противоположную сторону движению ОГ также увеличивает теплоотдачу, так как ОЖ, нагреваясь при движении, контактирует через гофрированные стенки 5 с более нагретыми ОГ.
Из теплообменника 4 ОГ поступают через трубу подвода 9 на турбину турбокомпрессора 8 и далее выбрасываются в атмосферу. При достижении температуры ОГ перед турбиной турбокомпрессора 8 выше допустимой открываются перепускные клапаны 6, при этом часть более горячих ОГ дросселируется через перепускную трубу 14 в атмосферу, а менее горячие поступают на турбину турбокомпрессора 8 и далее выбрасываются в атмосферу, что позволяет увеличить уровень форсирования ДВС.
Известно, что температура ОЖ при прогреве повышается быстрее, чем масло. При прогреве ОЖ, проходя через ДВС 1, выпускной коллектор 3, теплообменник 4, нагревается быстрее и поступает через термостат 10, направляется по малому контуру 11 в змеевик 12, и, подогревая масло в поддоне 13, поступает в насос 18, который осуществляет принудительную циркуляцию ОЖ, тем самым уменьшая время на прогрев ДВС 1. При прогретом ДВС 1, термостат 10 открывается, и поток горячей ОЖ направляется через большой контур 14 в радиатор 15 или систему отопления (не показана). На выходе из радиатора 15 ОЖ имеет температуру меньше, чем температура масла, и, проходя через змеевик 12 к насосу 18, охлаждает масло, тем самым поддерживая его оптимальную температуру.
Данное изобретение позволяет уменьшить гидравлические сопротивления, более полно утилизировать в системе отопления теплоту системы охлаждения и теплоту ОГ, сократить время на прогрев ДВС, поддерживать оптимальную температуру масла, увеличить уровень форсирования ДВС, снизить температуру ОГ перед турбиной турбокомпрессора на больших нагрузках поршневого ДВС, использовать более полно энергию отработавших газов для повышения общего коэффициента полезного действия,