УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОВОГО ПОТОКА, СИСТЕМА ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ И ДВИЖИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ТРАНПОРТНОГО СРЕДСТВА
DEVICE FOR CONTROLLING GAS STREAM, AFTER-TREATMENT SYSTEM OF EXHAUST GASES AND PROPULSION SYSTEM FOR MEANS OF TRANSPORT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству регулирования газового потока в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы и более конкретно к турбине с изменяемой геометрией турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания. Изобретение также относится к применению такого устройства в системе последующей обработки отработавших газов для управления работой одного из блоков этой системы. Одно из применений изобретения относится к обеспечению высоких характеристик торможения двигателем.
Уровень техники
Турбонагнетатели хорошо известны и широко используются с двигателями внутреннего сгорания для повышения выходной мощности, снижения расхода топлива и выбросов вредных веществ, а также для компенсации падения плотности воздуха на больших высотах. В общем случае турбонагнетатели увеличивают количество воздуха, подаваемого для процесса сгорания, по сравнению с количеством воздуха, поступающего в двигатель при естественном всасывании, путем использования энергии отработавших газов для привода воздушного компрессора. Увеличение подачи воздуха обеспечивает сжигание большего количества топлива, в результате чего повышается выходная мощность двигателя по сравнению с мощностью, получаемой в условиях естественного всасывания.
Турбонагнетатели с изменяемой геометрией обеспечивают возможность регулирования потока всасываемого воздуха для его оптимизации в широком диапазоне числа оборотов двигателя. Турбонагнетатели с изменяемой геометрией могут быть снабжены множеством входных направляющих лопаток статора турбины. Впускной канал турбины имеет круговое расширение, охватывающее турбину и формирующее кольцевой проход. Входные направляющие лопатки на статоре турбины разнесены по окружности этого канала. Поток всасываемого воздуха регулируется путем изменения угла наклона входных направляющих лопаток статора турбины. Оптимальное положение направляющих лопаток определяется в соответствии с такими параметрами, как требуемая передаточная характеристика крутящего момента, требования по экономии топлива и выбросам вредных веществ.
Более конкретно, кольцевой проход соединяет спиральную камеру, сформированную в кожухе турбины с камерой турбины, в которой размещена турбина. Каждая лопатка соединена с валиком, установленным в опорном кольце. Валик лопатки соединен с рычагом, который соединяет валик с управляющим кольцом. При повороте управляющего кольца происходит одновременный поворот всех лопаток в кольцевом проходе. Для фиксации крайних положений лопаток, особенно в тех случаях, когда должен обеспечиваться узкий зазор между их концами, используется ограничительный винт.
Далее, для обеспечения соблюдения современных жестких требований к уровню выбросов вредных веществ часто используется система последующей обработки отработавших газов, содержащая сажевый фильтр и систему селективного каталитического восстановления, например, как описанная в GB 2413830. Когда двигатель работает с малой нагрузкой, температура отработавших газов может быть недостаточной для удовлетворительной работы системы последующей обработки отработавших газов, поскольку для химических реакций необходим определенный уровень температуры. Таким образом, температуру отработавших газов необходимо повысить, чтобы обеспечить приемлемые характеристики работы указанной системы.
Вышеописанный турбонагнетатель с изменяемой геометрией с входными направляющими лопатками может использоваться для обеспечения повышенной температуры отработавших газов, чтобы обеспечить приемлемые характеристики работы системы последующей обработки отработавших газов. Этого можно достичь в некоторых рабочих точках путем установки лопаток в положение, в котором между ними нет зазоров. Однако полное закрытие лопаток, как например, в конструкции, раскрытой в WO 2008/101105, может приводить к их повреждению. Отдельные различия в угловом положении лопаток, которые возникают в результате отклонений в их установке, и то обстоятельство, что лопатки не должны плотно прижиматься друг к другу, чтобы не возникали вредные напряжения и износ лопаток, будут приводить к прохождению между ними потока, соответственно, к наддуву, разному для разных экземпляров турбонагнетателей.
Раскрытие изобретения
Поэтому целью настоящего изобретения является создание устройства регулирования газового потока, подходящего для турбонагнетателя, которое отличается надежностью работы.
Указанная цель изобретения достигается с использованием признаков независимых пунктов формулы изобретения. Другие пункты формулы изобретения и описание раскрывают предпочтительные варианты осуществления изобретения.
В настоящем изобретении предлагается устройство регулирования газового потока в канале, содержащее множество поворотных лопаток регулирования газового потока, причем оси поворота первой и второй соседних лопаток разнесены таким образом, что задняя кромка первой лопатки перекрывается с передней кромкой второй лопатки, когда первая и вторая соседние лопатки находятся в первом взаимном крайнем положении для существенного ограничения прохождения газового потока в канале, причем устройство отличается тем, что вторая лопатка имеет выемку такой формы, что задняя кромка первой лопатки по меньшей мере частично входит в выемку, когда первая и вторая соседние лопатки находятся в первом взаимном крайнем положении.
При этом в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения выемка во второй лопатке и задняя кромка первой лопатки выполнены с возможностью образования по существу постоянного зазора между противолежащими обращенными друг к другу поверхностями при положении лопаток в пределах допустимых отклонений, когда первая и вторая лопатки находятся в первом взаимном крайнем положении.
В другом из вариантов осуществления настоящего изобретения выемка имеет удлиненную форму в поперечном направлении относительно линии хорды между передней и задней кромками лопатки.
Предлагаемая конструкция лопаток создает условия для достижения по существу одинакового зазора между двумя соседними лопатками, когда они находятся в первом взаимном крайнем положении (соответствующем "закрытому состоянию"), поскольку конструкция обеспечивает компенсацию отклонений углового положения лопаток.
Кроме того, выполнение таких выемок во всех лопатках обеспечивает условия для достижения регулируемого потока. Более конкретно, поток будет по существу одинаковым по всей окружности расположения лопаток, то есть по всему кольцевому проходу в случае турбонагнетателя, в результате чего обеспечивается надежное и точное управление турбонагнетателем.
Кроме того, предложенное техническое решение создает условия для того, чтобы разные экземпляры турбонагнетателей обеспечивали в процессе работы по существу одинаковое повышенное давление в рабочих режимах с малыми зазорами между кромками лопаток. Таким образом, снижается вероятность того, что разные экземпляры турбонагнетателей будут иметь разные рабочие характеристики.
В соответствии с предпочтительным вариантом первая и вторая лопатки имеют такую конфигурацию, что поверхность задней кромки первой лопатки, обращенная к выемке, расположена на некотором расстоянии от противолежащей поверхности выемки, когда первая и вторая лопатки находятся в первом взаимном крайнем положении. За счет того, что в крайнем положении, соответствующем "закрытому состоянию", между лопатками имеет зазор, снижается износ лопаток в процессе работы, и, соответственно, увеличивается срок их службы. Предпочтительно лопатки фиксируются в этом крайнем положении.
Как было указано выше, в одном из заявляемых вариантов осуществления настоящего изобретения выемка во второй лопатке и задняя кромка первой лопатки имеют такую конфигурацию, которая обеспечивает установление по существу постоянного зазора между противолежащими поверхностями при условии, что лопатки устанавливаются в пределах допустимых отклонений, когда первая и вторая лопатки находятся в первом взаимном крайнем положении. Такая конструкция лопаток обеспечивает по существу одинаковый поток между каждыми соседними лопатками, когда они находятся в первом взаимном крайнем положении.
В настоящем изобретении также предлагается система последующей обработки отработавших газов для двигателя внутреннего сгорания, содержащая по меньшей мере один блок последующей обработки и вышеописанное устройство, установленное по потоку выше блока последующей обработки, для повышения температуры отработавших газов путем установки лопаток регулирования потока в первое взаимное крайнее положение. Применение устройства, предложенного в настоящем изобретении, создает условия для обеспечения надежной работы системы последующей обработки отработавших газов, поскольку обеспечивается возможность управления их температурой.
В настоящем изобретении также предлагается движительная система транспортного средства, содержащая двигатель внутреннего сгорания и вышеописанное устройство, установленное в трубопроводе выпуска отработавших газов из двигателя внутреннего сгорания для обеспечения повышенного давления, когда лопатки регулирования потока находятся в первом взаимном крайнем положении. Применение в движительной системе устройства, предложенного в настоящем изобретении, обеспечивает условия для надежной работы в режиме торможения двигателем.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение вместе с вышеупомянутыми и другими его целями и достоинствами можно будет лучше всего понять из нижеприведенного подробного описания вариантов осуществления изобретения, которые не ограничивают его объем, со ссылками на чертежи, на которых схематично показано:
на фиг. 1 - блок-схема движительной системы транспортного средства, содержащей двигатель внутреннего сгорания, турбонагнетатель и устройство последующей обработки отработавших газов;
на фиг. 2, 3 - виды в перспективе с двух разных направлений турбонагнетателя системы фиг. 1 (с частичным вырезом);
на фиг. 4, 5 - иллюстрации работы механизма управления угловым положением лопаток устройства регулирования газового потока, поступающего в турбину турбонагнетателя, показанного на фиг. 2, 3;
на фиг. 6-9 - схематические виды, иллюстрирующие различные угловые положения лопаток в устройстве регулирования газового потока, показанном на фиг. 4, 5;
на фиг. 10, 11 - виды двух других экземпляров устройства регулирования газового потока.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 приведена блок-схема движительной системы 1 транспортного средства, предпочтительно тяжелого коммерческого транспортного средства, такого как грузовик, автобус или строительная машина, содержащего двигатель 2 внутреннего сгорания в форме дизельного двигателя, турбонагнетатель 3 и устройство 4 последующей обработки газов.
Двигатель содержит блок шести цилиндров 6, которые соединяются обычным образом с впускным коллектором 7 и с выпускным коллектором 8. В выпускной коллектор 8 поступают отработавшие газы из цилиндров двигателя. Отработавшие газы пропускаются через трубопровод 9 (или через кожух турбины) из выпускного коллектора 8 в турбину 10 турбонагнетателя 3 и далее через трубопровод 11 из турбины 10 в устройство 4 последующей обработки отработавших газов.
Профильтрованный всасываемый воздух подается в двигатель по трубопроводу 12 через компрессор 13 турбонагнетателя 3. Компрессор 13 установлен на одном валу 14 с турбиной 10. В процессе работы компрессор 13 вращается турбиной 10.
По трубопроводам 15, 17 всасываемый воздух поступает из компрессора 13 через охладитель 16 воздуха наддува во впускной коллектор 7.
Система 1 содержит также устройство 18 рециркуляции отработавших газов, которое обеспечивает возвращение части отработавших газов из выпускного коллектора 8 по трубопроводу 19 во впускной коллектор 7 через клапан 20 и охладитель 21.
На фиг. 2 приведен вид в перспективе с частичным вырезом турбонагнетателя 3 (с первого направления). Турбонагнетатель 3 содержит кожух 22 турбины, формирующий камеру 23 турбины, в которой расположена турбина 10. В кожухе 22 турбины сформирован канал 24 в форме кругового прохода, который соединяет спиральную камеру 25, сформированную в кожухе 22, с камерой турбины, в которой расположена турбина 10. Иначе говоря, канал 24 формирует круговую щель.
Турбонагнетатель 3 содержит устройство 26 регулирования газового потока, проходящего через кольцевой канал 24, и, соответственно, через турбину 10. Устройство 26 содержит множество поворотных лопаток 27, 28 регулирования газового потока. Оси поворота поворотных лопаток 27, 28 регулирования газового потока распределены по окружности кольцевого канала 24. Каждая лопатка 27, 28 соединена с валиком 29, 30, проходящим в кожухе 22 турбины. Валики 29, 30 всех лопаток 27, 28 проходят параллельно друг другу. Валики 29, 30 лопаток 27, 28 также проходят параллельно продольному направлению 52 общего вала 14. Поворотные лопатки 27, 28 регулирования газового потока проходят по существу по всей ширине канала 24.
Устройство 26 регулирования газового потока содержит механизм синхронной установки лопаток 27, 28 под одним углом для различных угловых положений.
Иначе говоря, устройство 26 регулирования газового потока содержит ротор (турбина 10), в который поступает в радиальном направлении газовый поток, причем газовый поток поступает в ротор через канал 24, и множество поворотных лопаток 27, 28 регулирования газового потока представляют собой входные направляющие лопатки, расположенные вокруг ротора. Более конкретно, множество поворотных лопаток 27, 28 регулирования газового потока расположены по направлению потока непосредственно перед турбиной 10. Турбина 10 выполнена таким образом, что она может вращаться вокруг оси 52 вращения, и лопатки 27, 28 регулирования газового потока расположены таким образом, что оси их поворота проходят параллельно оси 52 вращения турбины 10. Таким образом, описанная турбина представляет собой турбину с изменяемой геометрией.
На фиг. 3 приведен еще один вид в перспективе с частичным вырезом турбонагнетателя 3 (со второго направления). Более конкретно, устройство 26 регулирования газового потока, проходящего через кольцевой канал 24, показано с другой стороны относительно вида на фиг. 2. Валик 29, 30 каждой лопатки соединен с рычагом, который соединяет валик с управляющим кольцом 33. При повороте управляющего кольца 33 происходит одновременный поворот всех лопаток 27, 28 в кольцевом канале 24. Управляющее кольцо 33 расположено с возможностью поворота в кольцевой канавке кожуха 22 турбины или на фланце, прикрепленном к кожуху турбины Для поворота управляющего кольца 33 обеспечивается механизм 34 для синхронной установки лопаток под одним углом в разных угловых положениях.
На фиг. 4, 5 более подробно показан механизм 34 перемещения управляющего кольца. Механизм 34 перемещения содержит управляющее кольцо. Стрелки на чертежах показывают линейные и угловые перемещения компонентов. Механизм 34 перемещения управляющего кольца содержит штифт 35 внутри кожуха 22 турбины, валик 36, установленный с возможностью поворота и находящийся в зацеплении с управляющим кольцом 33 на некотором радиальном расстоянии от штифта 35, и рычаг 37, соединенный со штифтом 35 и валиком 36.
Механизм 34 перемещения управляющего кольца содержит также второй приводной рычаг 38, установленный на валике 36 и присоединенный к приводу с помощью толкающего стержня 39. В процессе работы привод воздействует на второй приводной рычаг 38, который поворачивает валик 36 и, соответственно, первый приводной рычаг, который, в свою очередь, поворачивается вокруг штифта 35. Этот механизм 34 перемещения управляющего кольца обеспечивает возможность поворота кольца 33 вокруг его оси 40 вращения.
Механизм 34 перемещения управляющего кольца содержит также устройство 41 ограничения углового перемещения лопаток 27, 28. Такое устройство 41 ограничения углового перемещения лопаток содержит ограничительный винт 42 с ручной регулировкой, который обеспечивает ограничение перемещения некоторого элемента в механизме 34 ограничения перемещения управляющего кольца. В варианте, показанном на фиг. 4, ограничительный винт 42 выполнен таким образом, что он взаимодействует с приводным рычагом 38. Ограничительный винт 42 установлен в бобышке 43, которая выполнена как единое целое с кожухом 22 турбины.
На фиг. 6 показано сечение множество поворотных лопаток 27, 28 регулирования газового потока. Оси поворота поворотных лопаток 27, 28 регулирования газового потока расположены на равных расстояниях по окружности кольцевого канала 24. Поворотные лопатки 27, 28 регулирования газового потока показаны на фиг. 6 в открытом состоянии, в котором газовый поток 44 может проходить по существу без каких-либо ограничений. Более конкретно, задняя кромка первой лопатки 27 расположена на достаточном расстоянии от передней кромки второй лопатки 28, когда первая 27 и вторая 28 соседние лопатки расположены во втором взаимном крайнем положении (представляющем "открытое состояние"), в котором газовый поток может беспрепятственно проходить через канал 24.
На фиг. 8 приведен вид поворотных лопаток 27, 28 регулирования газового потока, аналогичный виду на фиг. 6, с той разницей, что лопатки показаны в первом взаимном крайнем положении (представляющего "закрытое состояние").
На фиг. 7 приведен увеличенный вид первой 27 и второй 28 соседних лопаток. Стрелки 45, 46 показывают угловое перемещение лопаток 27, 28 между их первым взаимным крайним положением, в котором обеспечивается существенное ограничение прохождения газового потока через канал 22 ("закрытое состояние", показано пунктирными линиями), и вторым взаимным крайним положением ("открытое состояние"). Оси поворота первой 27 и второй 28 соседних лопаток расположены на таком расстоянии, что задняя кромка 47 первой лопатки 27 перекрывается с передней кромкой 48 второй лопатки 28, когда первая и вторая соседние лопатки находятся в первом взаимном крайнем положении.
На фиг. 9-11 показаны три разных экземпляра устройства регулирования газового потока, причем отличие этих фигур заключается в том, что взаимное крайнее положение соседних лопаток 27, 28 отличается в пределах допустимых отклонений.
На фиг. 9 показана конструкция задней кромки 47 первой лопатки 27, перекрывающейся с передней кромкой 48 второй лопатки 28. Вторая лопатка 28 имеет выемку, или вырез 49, форма которого такова, что задняя кромка 47 первой лопатки 27 по меньшей мере частично входит в выемку 49, когда первая 27 и вторая 28 соседние лопатки находятся в первом взаимном крайнем положении.
Как показано на фиг. 9-11, выемка 49, 149, 249 во второй лопатке 28, 128, 228 и задняя кромка 47, 147, 247 первой лопатки 27, 127, 227 имеют такую конфигурацию, что обеспечивается по существу постоянный зазор d между поверхностью 50, 150, 250 задней кромки 47, 147, 247 первой лопатки 27, 127, 227, обращенной к выемке 49, 149, 249, и противолежащей поверхностью 51, 151, 251 выемки 49, 149, 249 при условии, что лопатки находятся в пределах допустимых отклонений, когда первые 27, 127, 227 и вторые 28, 128, 228 лопатки находятся в первом взаимном крайнем положении.
На фиг. 10 показано также, что первая 127 и вторая 128 лопатки имеют такую конфигурацию, что поверхность 150 задней кромки 147 первой лопатки 127, обращенная к выемке 149, расположена на расстоянии а от противолежащей поверхности 151 выемки 149, когда первая 127 и вторая 128 лопатки находятся в первом взаимном крайнем положении.
Как показано на фиг. 4, устройство 41 ограничения углового перемещения лопаток выполнено для ограничения расстояния между лопатками 127, 128 таким образом, чтобы оно не превышало заданное расстояние а. В этом случае в процессе работы будет ограничиваться износ противолежащих поверхностей соседних лопаток.
В варианте, который иллюстрируется на фиг. 1-9, оси поворота всех лопаток 27, 28 разнесены по окружности таким образом, что задняя кромка каждой лопатки перекрывается с передней кромкой соседней лопатки, когда лопатки находятся в первом взаимном крайнем положении. Далее, каждая лопатка 27, 28 имеет выемку такой формы, что задняя кромка соседней лопатки по меньшей мере частично входит в выемку, когда лопатки находятся в первом взаимном крайнем положении.
Лопатки 27, 28 имеют в поперечном сечении аэродинамический профиль. Каждая лопатка 27, 28 имеет сторону повышенного давления и сторону пониженного давления, которые проходят между передней и задней кромками, причем выемка 49 обеспечивается на стороне повышенного давления. Термины "сторона повышенного давления" и "сторона пониженного давления" - это обычные термины, описывающие геометрию лопатки, имеющей аэродинамический профиль. Следует иметь в виду, что в крайних рабочих положениях лопаток, сторона повышенного давления может действовать в качестве стороны пониженного давления, и наоборот.
Вышеуказанная выемка 49 обеспечивается возле передней кромки каждой лопатки. Выемка 49 имеет удлиненную форму в поперечном направлении относительно линии хорды между передней и задней кромками лопаток. При этом выемка 49 проходит по всей ширине лопатки. Кроме того, выемка имеет постоянную ширину на расстоянии, соответствующем всей ширине задней кромки первой лопатки. При этом формы задней кромки первой лопатки и выемки во второй лопатке соответствуют друг другу. Предпочтительно выемка имеет постоянную ширину по всей ширине первой лопатки.
В применениях устройства в турбонагнетателе двигателя внутреннего сгорания глубина выемки 49 предпочтительно меньше 2 мм и, в частности, меньше 1,5 мм. В предпочтительных вариантах глубина выемки для указанного применения превышает 0,2 мм.
Линия средней кривизны определяется как геометрическое место точек посередине между боковыми поверхностями лопатки, измеренными перпендикулярно самой линии средней кривизны. Лопатки имеют сводчатую форму с обеих сторон, то есть они асимметричны. Линия средней кривизны в этом случае проходит по кривой линии между передней и задней кромками лопатки.
В соответствии с другими вариантами поверхность выемки, обращенная в сторону задней кромки первой лопатки, имеет кривизну, соответствующую углу поворота первой лопатки для установления по существу постоянного зазора между задней кромкой первой лопатки и поверхностью выемки при условии, что лопатки находятся в пределах допустимых отклонений, когда первая и вторая лопатки находятся в первом взаимном крайнем положении.
Изобретение не должно считаться ограниченным вышеописанными вариантами его осуществления, более того, в пределах объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой, могут быть также предложены и другие варианты и их модификации.