ТУРБОКОМПРЕССОР, РАБОТАЮЩИЙ НА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ, ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
TURBO COMPRESSOR DRIVEN BY ICE EXHAUST GASES

Изобретение относится к турбокомпрессору, работающему на отработавших газах, для двигателя внутреннего сгорания, согласно описательной части п.1 формулы изобретения.
Из патента DE 102005027080 А1 известен турбокомпрессор, работающий на отработавших газах, для двигателя внутреннего сгорания, в котором проточный участок для отработавших газов содержит направляющее устройство для изменения подачи отработавших газов на турбинное колесо турбокомпрессора, при этом направляющее устройство содержит выполненное с возможностью протекания направляющее решетчатое кольцо и осевую задвижку. Направляющее решетчатое кольцо установлено неподвижно относительно корпуса в проточном участке для отработавших газов, в области участка вала турбинного колеса, и зафиксировано по центру относительно оси вращения турбинного колеса при помощи фиксирующего устройства.
Для изменения подачи отработавших газов на турбинное колесо осевая задвижка, которая расположена соосно с турбинным колесом и направляющим решетчатым кольцом, выполнена с возможностью поступательного перемещения, при этом осевая задвижка на своем конце, обращенном к направляющему решетчатому кольцу, имеет матрицу в форме кольцевой выемки, которая выполнена с возможностью охвата направляющего решетчатого кольца на его конце, обращенном к осевой задвижке. При этом для надежного функционирования турбокомпрессора, работающего на отработавших газах, необходимо предусмотреть зазор в контакте между матрицей и направляющим решетчатым кольцом, так чтобы при перемещении осевой задвижки могло быть исключено перекашивание. При обеспечении зазора в контакте между матрицей и направляющим решетчатым кольцом, сопровождающегося свободой передвижения, посредством фиксации или опирания направляющего решетчатого кольца, получается трудоемкий монтаж турбокомпрессора, работающего на отработавших газах.
Направляющее решетчатое кольцо содержит непроницаемую стойку и закрепленные на стойке направляющие лопатки, выполненные с возможностью протекания. Стойка служит, во-первых, для опирания направляющего решетчатого кольца, а во-вторых, для удерживания направляющих лопаток. Принципиально стойка представляет собой стабильную область направляющего решетчатого кольца. Если теперь осевая задвижка, выполненная согласно уровню техники, перемещается от обращенного от стойки конца направляющих лопаток по направляющему решетчатому кольцу, охватывая направляющие лопатки, то принципиально существует опасность того, что даже минимальный наклон направляющих лопаток вызовет перекашивание между направляющим решетчатым кольцом и осевой задвижкой. Перекашивание приводит при известных условиях к ненадежной работе, вплоть до полного выхода из строя турбокомпрессора, работающего на отработавших газах.
Задачей изобретения является создание более простого в монтаже и надежного в эксплуатации турбокомпрессора, работающего на отработавших газах.
Согласно изобретению эта задача решена посредством турбокомпрессора, работающего на отработавших газах, для двигателя внутреннего сгорания, с признаками п.1 формулы изобретения. Рациональные усовершенствования приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Турбокомпрессор, работающий на отработавших газах, согласно изобретению содержит направляющее решетчатое кольцо, которое расположено таким образом, что его направляющие лопатки являются охватываемыми осевой задвижкой, начиная от стойки направляющего решетчатого кольца, причем осевая задвижка установлена с возможностью осевого перемещения по контурной втулке, неподвижно расположенной соосно с валом в проточном участке для отработавших газов. Таким образом, осевая задвижка выполнена с возможностью проведения по не опирающейся и, тем самым, принципиально подвижной нежесткой области направляющего решетчатого кольца, начиная от опорной области направляющего решетчатого кольца, которая представляет собой неподвижную и, тем самым, принципиально стабильную область направляющего решетчатого кольца. Благодаря этому можно избежать перекашивания, которое может быть вызвано, например, наклоном подвижной области направляющего решетчатого кольца.
В одном варианте выполнения стойка установлена по центру относительно оси вращения на контурной втулке, при этом контурная втулка идеальным образом выполнена в качестве центрирующего устройства. Контурная втулка неподвижно относительно корпуса и жестко размещена в выпускной области проточного участка для отработавших газов, по направлению потока за турбинным колесом. Посредством опирания стойки на контурную втулку может быть достигнуто фиксированное опирание направляющего решетчатого кольца и, таким образом, фиксированный и стабильный зазор в контакте между направляющим решетчатым кольцом и осевой задвижкой.
В следующем варианте выполнения для центрирования между направляющим решетчатым кольцом и контурной втулкой расположено центрирующее устройство, и/или центрирование может достигаться при помощи соединения с фрикционным и/или с геометрическим замыканием. С помощью центрирующего устройства и/или соответствующего соединения между контурной втулкой и направляющим решетчатым кольцом можно избежать перемещения направляющего решетчатого кольца на контурной втулке.
В следующем экономичном варианте выполнения центрирующее устройство выполнено жестким, при этом в качестве центрирующего устройства служит, например, штифт или штырь.
В следующем варианте выполнения направляющее решетчатое кольцо содержит устройство для поджатия, при этом с помощью устройства для поджатия наряду с центрированием направляющего решетчатого кольца может быть почти или полностью устранен вызывающий потери в потоке зазор между стенкой корпуса и обращенным к ней концом направляющих лопаток.
Идеальным образом устройство для поджатия расположено на обращенном к контурной втулке конце стойки, благодаря чему обеспечивается возможность простого монтажа.
Для уменьшения стоимости и упрощения монтажа устройство для поджатия выполнено в форме тарельчатой пружины.
Дальнейшие преимущества и рациональные варианты выполнения изобретения вытекают из описания и чертежей. На них изображено:
фиг.1 - схематическое изображение двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором, работающим на отработавших газах, в котором проточный участок для отработавших газов содержит направляющее устройство для изменения притока отработавших газов на турбинное колесо, установленное в опорах в проточном участке для отработавших газов,
фиг.2 - продольное сечение проточного участка для отработавших газов турбокомпрессора, работающего на отработавших газах, с направляющим устройством согласно состоянию техники,
фиг.3 - продольное сечение фрагмента проточного участка для отработавших газов турбокомпрессора, работающего на отработавших газах, согласно изобретению.
Все одинаковые или одинаковым образом действующие конструкционные элементы снабжены на чертежах одинаковыми номерами позиций.
Показанный на фиг.1 двигатель 1 внутреннего сгорания, который, в частности, выполнен в виде поршневого двигателя внутреннего сгорания и может работать в соответствии с процессом сгорания в карбюраторном двигателе или в дизельном двигателе, содержит линию 2 приточного воздуха, в которой преимущественно присутствует с возможностью протекания приточный воздух, и линию 3 отработавших газов, в которой преимущественно присутствуют с возможностью протекания отработавшие газы.
Линия 2 приточного воздуха содержит трубопровод 4 для наддувочного воздуха, причем по направлению навстречу потоку от двигателя 1 внутреннего сгорания расположен охладитель 5 наддувочного воздуха для охлаждения всасываемого воздуха, необходимого для сгорания. Воздушный фильтр (не показан) для очистки всасываемого воздуха, необходимого для сгорания, расположен на обращенном от двигателя 1 внутреннего сгорания конце трубопровода 4 для наддувочного воздуха.
Линия 3 отработавших газов содержит выпускной трубопровод 6 и узел 7 нейтрализации отработавших газов, причем узел 7 нейтрализации отработавших газов, расположенный с целью нейтрализации отработавших газов на обращенном от двигателя 1 внутреннего сгорания конце выпускного трубопровода 6, выполнен, в частности, в форме сажевого фильтра и/или катализатора.
Двигатель 1 внутреннего сгорания дополнительно содержит систему 8 рециркуляции отработавших газов, которая включает в себя трубопровод 9 рециркуляции отработавших газов, охладитель 10 отработавших газов, а также клапан 11 рециркуляции отработавших газов. Трубопровод 9 рециркуляции отработавших газов является выполненным с возможностью протекания соединительным трубопроводом, при этом обращенный к выпускному трубопроводу 6 конец соединен с выпускным трубопроводом 6 по направлению потока за двигателем 1 внутреннего сгорания и перед узлом 7 нейтрализации отработавших газов, а обращенный к трубопроводу 4 наддувочного воздуха конец трубопровода 9 рециркуляции отработавших газов расположен вместе с трубопроводом 4 для наддувочного воздуха по направлению потока за охладителем 5 наддувочного воздуха и перед двигателем 1 внутреннего сгорания. В трубопроводе 9 рециркуляции отработавших газов расположен охладитель 10 отработавших газов для охлаждения рециркулирующих отработавших газов. Регулирование количества рециркулирующих отработавших газов осуществляется при помощи клапана 11 рециркуляции отработавших газов. Таким образом, в соответствии с регулированием клапана 11 рециркуляции отработавших газов может быть реализовано протекание отработавших газов из выпускного трубопровода 6 через трубопровод 9 рециркуляции отработавших газов в трубопровод 4 для наддувочного воздуха.
Для регулирования и управления различными функциями к двигателю внутреннего сгорания присоединена регулирующая и управляющая система 12. В частности, при помощи регулирующей и управляющей системы 12 могут регулироваться подвод топлива и клапан 11 рециркуляции отработавших газов.
К двигателю 1 внутреннего сгорания присоединен турбокомпрессор 13, работающий на отработавших газах, который содержит корпус 14, который включает в себя проточный участок 15 для отработавших газов, проточный участок 16 для воздуха и опорный участок 17, при этом проточный участок 16 для воздуха расположен в линии 2 приточного воздуха, по направлению потока перед охладителем 5 наддувочного воздуха, а проточный участок 15 для отработавших газов расположен в линии отработавших газов, между местом соединения трубопровода 9 рециркуляции отработавших газов с выпускным трубопроводом 6 и узлом 7 нейтрализации отработавших газов.
Турбокомпрессор 13, работающий на отработавших газах, содержит ротор 18, который включает в себя колесо 19 компрессора для всасывания и сжатия необходимого для сгорания воздуха, турбинное колесо 20 для расширения отработавших газов, а также вал 21, жестко соединяющий на кручение колесо 19 компрессора с турбинным колесом 20, с осью 22 вращения. Вал 21 установлен в опорах с возможностью вращения в опорном участке 17 турбокомпрессора 13, работающего на отработавших газах, который расположен между проточным участком 16 для воздуха и проточным участком 15 для отработавших газов.
При работе двигателя 1 внутреннего сгорания турбинное колесо 20 вследствие подачи на него отработавших газов двигателя 1 внутреннего сгорания приводится во вращательное движение, при этом с помощью вала 21 колесо 19 компрессора также приводится во вращение, так что необходимый для сгорания воздух всасывается и сжимается.
Для втекания отработавших газов в проточный участок 15 для отработавших газов в нем выполнен впускной канал 23, см. фиг.2. Впускной канал 23 служит для кондиционирования отработавших газов, которые при работе двигателя 1 внутреннего сгорания приводят турбинное колесо 20 во вращательное движение. Предпочтительно впускной канал 23 расположен перпендикулярно к оси 22 вращения.
По направлению потока за впускным каналом 23 в проточном участке 15 для отработавших газов расположен спиральный канал 24, который служит для образования осесимметричного потока. По направлению потока за спиральным каналом 24 в проточном участке 15 для отработавших газов расположен приточный канал 25, который выполнен с целью создания завихрения потока. Кроме того, спиральный канал 24 выполнен в качестве соединительного канала между впускным каналом 23 и приточным каналом 25.
По направлению потока за приточным каналом 25 в проточном участке 15 для отработавших газов расположена камера 26 ступени турбины, которая выполнена с возможностью размещения вращающегося турбинного колеса 20. Приточный канал 25 имеет на своем конце, обращенном к камере 26 ступени турбины, профиль 27 входного отверстия. По направлению потока за камерой 26 ступени турбины в проточном участке 15 для отработавших газов расположен выпускной канал 28.
Для того, чтобы как при низких нагрузках и низких частотах вращения, так и при высоких нагрузках и высоких частотах вращения двигателя 1 внутреннего сгорания был достижим максимально возможный коэффициент полезного действия турбокомпрессора, работающего на отработавших газах, отработавшие газы можно кондиционировать при помощи выполненного с возможностью регулирования направляющего устройства 29, которое расположено в проточном участке 15 для отработавших газов.
Как показано на фиг.2, направляющее устройство 29 включает в себя частично выполненное с возможностью протекания направляющее решетчатое кольцо 30, кольцевую осевую задвижку 31 и контурную втулку 32, которая служит в качестве направляющей для осевой задвижки 31 и для кондиционирования потока отработавших газов в выпускном канале 28. Направляющее решетчатое кольцо 30, осевая задвижка 31, контурная втулка 32 и вал 21 расположены соосно. Контурная втулка 32 неподвижно размещена в проточном участке 15 для отработавших газов.
Направляющее решетчатое кольцо 30 расположено в приточном канале 25, частично окружая турбинное колесо 20, при этом направляющее решетчатое кольцо 30 выполнено выступающим в профиль 27 входного отверстия. Осевая задвижка 31 имеет обращенную к направляющему решетчатому кольцу 30 выемку, матрицу 33, в которую может вводиться направляющее решетчатое кольцо 30 на своем конце, обращенном к матрице. С помощью осевой задвижки 31 можно регулировать величину профиля 27 входного отверстия. Предпочтительно профиль 27 входного отверстия при низких частотах вращения и/или нагрузках двигателя 1 внутреннего сгорания формируется малым, а при больших нагрузках и/или частотах вращения двигателя 1 внутреннего сгорания формируется большим.
К направляющему устройству 29 присоединено регулирующее устройство 34 с регулирующим рычагом 35. Воздействующую на регулирующий рычаг 35 и обеспечивающую перемещение силу можно инициировать электрическим, и/или механическим, и/или пневматическим, и/или гидравлическим путем.
На фиг.2 показан проточный участок 15 для отработавших газов согласно уровню техники. Направляющее решетчатое кольцо 30 содержит первую область 36, выполненную с возможностью протекания, которая размещена в профиле 27 входного отверстия и в дальнейшем обозначается как направляющие лопатки 36. Вторая область 37 направляющего решетчатого кольца 30, обозначаемая в дальнейшем как стойка 37, является непроницаемой и служит для размещения направляющих лопаток 36, а также для зафиксированного и отцентрированного по отношению к оси 22 вращения закрепления направляющего решетчатого кольца 30 в проточном участке 15 для отработавших газов.
Стойка 37 неподвижно установлена в обращенной к опорному участку 17 области, опираясь на проточный участок 15 для отработавших газов, при этом на обращенном от направляющих лопаток 36 конце стойки 37 расположено чашеобразное устройство 43 в форме теплозащитного щитка. Фиксация стойки 37 осуществляется, например, при помощи опорного участка 17, примыкающего к проточному участку 15 для отработавших газов.
Охват направляющих лопаток 36 осевой задвижкой 31 осуществляется, начиная от конца направляющих лопаток 36, обращенного от стойки 37.
На фиг.3 показано направляющее решетчатое кольцо 30 турбокомпрессора 13, работающего на отработавших газах согласно изобретению, при этом стойка 37 направляющего решетчатого кольца 30 расположена на контурной втулке 32, соосно с осью 22 вращения. Для размещения стойки 37 контурная втулка 32 имеет на своем обращенном к стойке 37 конце предусмотренный по всему его периметру выступ 40. Таким образом, контурная втулка имеет первый наружный диаметр D1 и второй наружный диаметр D2, причем первый наружный диаметр D1 выполнен меньшим, чем второй наружный диаметр D2. Стойка 37 выполнена с возможностью полного схватывания контурной втулки 32 в области меньшего диаметра D1.
Для достижения неподвижного соединения между стойкой 37 и контурной втулкой 32 или для центрирования или фиксации направляющего решетчатого кольца 30 соединение может быть, например, выполнено в форме прессовой посадки. Центрирование и фиксация стойки 37 с контурной втулкой 32 могут также быть достигнуты при помощи одного или нескольких крепежных элементов, например в форме штифта.
При этом стойка 37 размещена на контурной втулке 32 таким образом, что имеет место зазор в контакте между матрицей 33 и направляющими лопатками 36, так что при движении осевой задвижки 31 может устраняться контакт между осевой задвижкой 31 и направляющими лопатками 36.
В этом варианте выполнения для устранения вызывающего потери в потоке зазора между стенкой 42 корпуса и обращенным к ней концом направляющих лопаток 36 предусмотрено устройство 41 для поджатия, при помощи которого зазор может быть устранен почти или полностью. Устройство 41 для поджатия расположено между обращенным к контурной втулке 32 концом стойки 37 и выступом 40 контурной втулки 32.
Устройство 41 для поджатия выполнено в форме тарельчатой пружины. Устройство 41 для поджатия может быть также изготовлено в форме соответствующим образом выполненной спиральной или винтовой пружины.