СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ
PISTON ENGINE OPERATION

Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации поршневого двигателя с турбонаддувом.
В поршневых двигателях с турбонаддувом давление нагнетаемого воздуха повышают по меньшей мере на одной ступени компрессора. После компрессора сжатый нагнетаемый воздух обычно охлаждают в охладителе нагнетаемого воздуха. Если давление, температура и влажность нагнетаемого воздуха находятся на определенном уровне, водяной пар в нагнетаемом воздухе конденсируется в воду. Конденсат (водяные капли, туман) может привести к коррозии и эрозии компонентов двигателя, например крыльчатки нагнетателя компрессора (при двухступенчатом турбонаддуве), ресивера нагнетаемого воздуха, впускных каналов и впускных клапанов. Количество конденсата может быть большим, особенно на стороне высокого давления системы нагнетания воздуха.
Целью настоящего изобретения является снижение количества конденсата в системе нагнетания воздуха поршневого двигателя с турбонаддувом.
Цель настоящего изобретения достигается способом, заявленным в п.1 формулы изобретения. Поршневой двигатель с турбонаддувом содержит низкотемпературный контур охлаждения для низкотемпературной охлаждающей жидкости, высокотемпературный контур охлаждения для высокотемпературной охлаждающей жидкости и охладитель нагнетаемого воздуха, соединенный с низкотемпературным контуром охлаждения. Согласно настоящему изобретению нагнетаемый в двигатель воздух сжимают по меньшей мере на одной ступени, сжатый нагнетаемый воздух охлаждают в охладителе нагнетаемого воздуха, в который подают низкотемпературную охлаждающую жидкость, определяют точку росы сжатого нагнетаемого воздуха после охладителя и регулируют температуру нагнетаемого воздуха на выходе из охладителя так, чтобы она была выше точки росы, путем управления температурой низкотемпературной охлаждающей жидкости, подаваемой в охладитель нагнетаемого воздуха. Температурой низкотемпературной охлаждающей жидкости управляют путем добавления к ней высокотемпературной охлаждающей жидкости.
В одном варианте настоящего изобретения нагнетаемый воздух сжимают по меньшей мере на двух ступенях. На одной ступени нагнетаемый воздух сжимают компрессором низкого давления, а на последней ступени - компрессором высокого давления. Охладитель нагнетаемого воздуха является последним охладителем нагнетаемого воздуха высокого давления, расположенным после компрессора высокого давления.
Настоящее изобретение дает существенные преимущества. Количество конденсата в системе наддува можно уменьшить, что, в свою очередь, уменьшает повреждения компонентов двигателя, вызванные коррозией и эрозией.
Далее следует более подробное описание настоящего изобретения со ссылками на приложенный чертеж, который представляет собой схематический вид поршневого двигателя с двухступенчатым турбонаддувом.
На фиг.1 приведен схематический вид поршневого двигателя 1 с двухступенчатым турбонаддувом. Двигатель 1 является большим двигателем внутреннего сгорания, который применяется, например, как главный или вспомогательный двигатель на судах или электростанциях. Двигатель 1 содержит впускной канал 2, по которому воздух подается в цилиндры 3 двигателя. Двигатель 1 содержит выпускной канал 4, по которому выхлопные газы выходят из цилиндров 3. Далее, двигатель 1 содержит турбонагнетатель 5 низкого давления, содержащий компрессор 6 низкого давления и турбину 7 низкого давления. Двигатель 1 содержит турбонагнетатель 8, имеющий компрессор 9 высокого давления и турбину 10 высокого давления. Охладитель 11 нагнетаемого воздуха низкого давления соединен с входным каналом 2 между компрессором 6 низкого давления и компрессором 9 высокого давления. Охладитель 11 нагнетаемого воздуха низкого давления предназначен для охлаждения нагнетаемого воздуха, сжатого компрессором 6 низкого давления перед тем, как он будет подан на компрессор 9 высокого давления. Охладитель 12 нагнетаемого воздуха высокого давления соединен с впускным каналом 2 между компрессором 9 высокого давления и цилиндрами 3 двигателя. Охладитель 12 нагнетаемого воздуха высокого давления предназначен для охлаждения нагнетаемого воздуха, сжатого компрессором 9 высокого давления. С двигателем 1 может быть соединен генератор (не показан).
Двигатель 1 может быть оснащен еще одним охладителем 20 нагнетаемого воздуха низкого давления, который соединен с впускным каналом 2 между компрессором 6 низкого давления и охладителем 11 нагнетаемого воздуха низкого давления. Далее, двигатель 1 может быть оснащен еще одним охладителем (не показан) нагнетаемого воздуха высокого давления, который соединен с впускным каналом 2 между компрессором 9 высокого давления и охладителем 12 нагнетаемого воздуха высокого давления.
Двигатель 1 содержит низкотемпературный контур 13 охлаждения, в котором циркулирует низкотемпературная охлаждающая двигатель жидкость, например вода. Охладитель 11 нагнетаемого воздуха низкого давления, охладитель 12 нагнетаемого воздуха высокого давления и охладитель 14 смазочного масла двигателя соединены с низкотемпературным контуром 13 охлаждения. Охладитель 14 смазочного масла соединен с низкотемпературным контуром 13 охлаждения перед охладителями 12 и 13 нагнетаемого воздуха низкого и высокого давления. Охладитель 11 нагнетаемого воздуха низкого давления соединен с низкотемпературным контуром 13 охлаждения перед охладителем 12 нагнетаемого воздуха высокого давления. Двигатель 1 содержит охладитель 15, который охлаждает низкотемпературную охлаждающую жидкость. Низкотемпературная охлаждающая жидкость, выходящая из охладителя 12 нагнетаемого воздуха высокого давления, подается на охладитель 15 и охлаждается им. Из охладителя 15 низкотемпературная охлаждающая жидкость подается обратно в низкотемпературный контур 13 охлаждения через трехходовой клапан 16. Низкотемпературный контур 13 охлаждения содержит возвратный канал 17 для смешивания охлажденной низкотемпературной охлаждающей жидкости, приходящей от охладителя 15, с низкотемпературной охлаждающей жидкостью, нагретой в охладителях 11 и 12 нагнетаемого воздуха низкого и высокого давления. Возвратный канал 17 соединен с трехходовым клапаном 16. Количество теплой низкотемпературной охлаждающей жидкости, подмешиваемой к охлажденной низкотемпературной охлаждающей жидкости, можно регулировать с помощью трехходового клапана 16. Таким образом, температуру низкотемпературной охлаждающей жидкости, подаваемой в низкотемпературный контур 13 охлаждения, можно регулировать. Трехходовой клапан 16 оснащен термостатом 18, с помощью которого можно задавать требуемую температуру низкотемпературной охлаждающей жидкости, подаваемой в низкотемпературный контур 13 охлаждения.
Далее, двигатель 1 содержит высокотемпературный контур 19 охлаждения, по которому циркулирует высокотемпературная охлаждающая двигатель жидкость, например вода. Уровень температуры охлаждающей жидкости в высокотемпературном контуре 19 охлаждения выше, чем уровень в низкотемпературном контуре 13 охлаждения. Высокотемпературный контур 19 охлаждения предназначен для охлаждения блока двигателя. Блок двигателя содержит каналы охлаждения для высокотемпературной охлаждающей жидкости. Дополнительный охладитель 20 нагнетаемого воздуха низкого давления и дополнительный охладитель нагнетаемого воздуха высокого давления соединены с высокотемпературным контуром 19 охлаждения. Высокотемпературная охлаждающая жидкость охлаждается охладителем 15. Альтернативно, высокотемпературная охлаждающая жидкость может охлаждаться в отдельном охладителе.
Высокотемпературный контур 19 охлаждения содержит высокотемпературный возвратный канал 33 для смешивания охлажденной высокотемпературной охлаждающей жидкости, выходящей из охладителя 15, с теплой высокотемпературной охлаждающей жидкостью. Высокотемпературный возвратный канал 33 соединен с высокотемпературным трехходовым клапаном 31. Количество теплой высокотемпературной охлаждающей жидкости, подмешиваемое к охлажденной высокотемпературной охлаждающей жидкости, можно регулировать с помощью трехходового клапана 31. Таким образом, температуру высокотемпературной охлаждающей жидкости, подаваемой в высокотемпературный контур 19 охлаждения, можно регулировать. Высокотемпературный трехходовой клапан 31 оснащен термостатом 32, с помощью которого можно задавать требуемую температуру высокотемпературной охлаждающей жидкости, подаваемой в высокотемпературный контур 19 охлаждения.
Низкотемпературный контур 13 охлаждения сообщается с высокотемпературным контуром 19 охлаждения через соединительный канал 21. Соединительный канал 21 оснащен управляющим средством, например регулирующим клапаном 22, с помощью которого можно регулировать расход высокотемпературной охлаждающей жидкости через соединительный канал 21.
Впускной канал 2 оснащен датчиком 23 давления для измерения давления нагнетаемого воздуха. Датчик 23 давления расположен после охладителя 12 нагнетаемого воздуха высокого давления по направлению потока нагнетаемого воздуха. Дополнительно впускной канал 2 может быть оснащен дополнительным датчиком 24 давления для измерения давления нагнетаемого воздуха. Дополнительный датчик 24 давления расположен после охладителя 11 нагнетаемого воздуха низкого давления, но перед компрессором 9 высокого давления. Двигатель 1 оснащен датчиком 25 влажности для измерения относительной влажности атмосферного воздуха или нагнетаемого воздуха перед компрессором 6 низкого давления. Датчик 25 влажности может быть установлен перед компрессором 6 низкого давления по направлению потока нагнетаемого воздуха. Впускной канал 2 снабжен датчиком 27 температуры для измерения температуры нагнетаемого воздуха после охладителя 12 нагнетаемого воздуха высокого давления в направлении потока нагнетаемого воздуха. Дополнительно впускной канал 2 может быть оснащен дополнительным датчиком 26 температуры для измерения температуры нагнетаемого воздуха после охладителя 11 нагнетаемого воздуха низкого давления, но до компрессора 9 высокого давления в направлении потока нагнетаемого воздуха.
Двигатель 1 содержит управляющий блок 28, на который передаются сигналы с результатами измерений от датчика 25 влажности нагнетаемого воздуха, датчиков 23, 24 давления и датчиков 26, 27 температуры. На основе этих сигналов с результатами измерений управляющий блок 28 определяет точки росы нагнетаемого воздуха. Точка росы - это температура, при которой водяной пар и воздухе начинает конденсироваться в превалирующих условиях (давление, влажность). Точка росы нагнетаемого воздуха определяется в положении после последнего охладителя нагнетаемого воздуха, т.е. после охладителя 12 нагнетаемого воздуха высокого давления в направлении потока нагнетаемого воздуха. Дополнительно точка росы нагнетаемого воздуха определяется в положении после охладителя 11 нагнетаемого воздуха низкого давления, но перед компрессором 9 высокого давления в направлении потока нагнетаемого воздуха. Управляющий блок 28 выполнен с возможностью приводить в действие регулирующий клапан 22 так, чтобы температура нагнетаемого воздуха, выходящего из охладителя 12 нагнетаемого воздуха высокого давления, была выше, чем точка росы нагнетаемого воздуха после охладителя 12 нагнетаемого воздуха высокого давления. Это достигается путем управления температурой низкотемпературной охлаждающей жидкости, подаваемой на охладитель 12 нагнетаемого воздуха высокого давления. Дополнительно управляющий блок 28 выполнен с возможностью приводить в действие трехходовой клапан 16 так, чтобы температура нагнетаемого воздуха, выходящего из охладителя 11 нагнетаемого воздуха низкого давления была выше, чем точка росы нагнетаемого воздуха после охладителя 11 нагнетаемого воздуха низкого давления, но до компрессора 9 высокого давления. Это достигается путем регулирования температуры низкотемпературной охлаждающей жидкости, подаваемой на охладитель 11 нагнетаемого воздуха низкого давления.
Когда двигатель 1 работает, нагнетаемый воздух подается на компрессор 6 низкого давления, который поднимает его давление. Влажность нагнетаемого воздуха измеряется датчиком 25 влажности перед компрессором 6 низкого давления в направлении потока нагнетаемого воздуха. Из компрессора 6 низкого давления нагнетаемый воздух низкого давления подается на дополнительный охладитель 20 нагнетаемого воздуха низкого давления и охлаждается им. Высокотемпературная охлаждающая жидкость подается на дополнительный охладитель 20 нагнетаемого воздуха низкого давления. Затем нагнетаемый воздух направляется на охладитель 11 нагнетаемого воздуха низкого давления и охлаждается им. На охладитель 11 нагнетаемого воздуха низкого давления подается низкотемпературная охлаждающая жидкость.
Из охладителя 11 нагнетаемого воздуха низкого давления воздух подается на компрессор 9 высокого давления, который еще больше повышает его давление. Затем нагнетаемый воздух высокого давления подается на охладитель 12 нагнетаемого воздуха высокого давления и охлаждается им. На охладитель 12 нагнетаемого воздуха высокого давления подается низкотемпературная охлаждающая жидкость. Из охладителя 12 нагнетаемого воздуха высокого давления воздух поступает в цилиндры 3 и используется как воздух для горения. Выхлопные газы выходят из цилиндров 3 и подаются на турбину 10 высокого давления и затем на турбину 7 низкого давления. Турбина 10 высокого давления приводит в действие компрессор 9 высокого давления, а турбина 7 низкого давления приводит в действие компрессор 6 низкого давления.
Низкотемпературная охлаждающая жидкость циркулирует по низкотемпературному контуру 13 охлаждения. Температура низкотемпературной охлаждающей жидкости регулируется путем смешивания охлажденной низкотемпературной охлаждающей жидкости с теплой низкотемпературной охлаждающей жидкостью. Затем низкотемпературная охлаждающая жидкость подается на охладитель 14 смазочного масла, в котором температура низкотемпературной охлаждающей жидкости повышается. Из охладителя 14 смазочного масла низкотемпературная охлаждающая жидкость поступает в охладитель 11 нагнетаемого воздуха низкого давления. Из охладителя 11 нагнетаемого воздуха низкого давления низкотемпературная охлаждающая жидкость подается на охладитель 12 нагнетаемого воздуха высокого давления. Температура низкотемпературной охлаждающей жидкости регулируется путем добавления высокотемпературной охлаждающей жидкости перед охладителем 12 нагнетаемого воздуха высокого давления. Из охладителя 12 нагнетаемого воздуха высокого давления часть низкотемпературной охлаждающей жидкости подается на охладитель 15, а часть через возвратный канал 17 - на трехходовой клапан 16 и смешивается с охлажденной низкотемпературной охлаждающей жидкостью, вышедшей из охладителя 15.
Для предотвращения конденсации водяного пара в воду температуру нагнетаемого воздуха, выходящего из последнего охладителя нагнетаемого воздуха в направлении потока нагнетаемого воздуха, т.е. после охладителя 12 нагнетаемого воздуха высокого давления, регулируют так, чтобы она была выше точки росы нагнетаемого воздуха после этого охладителя 12. Сначала определяют точку росы нагнетаемого воздуха после охладителя 12 нагнетаемого воздуха высокого давления на основе данных от датчика 25 влажности и датчика 23 давления. Температуру нагнетаемого воздуха, выходящего из охладителя 12 нагнетаемого воздуха высокого давления, регулируют, управляя температурой низкотемпературной охлаждающей жидкости, подаваемой в охладитель 12 нагнетаемого воздуха высокого давления. Температуру низкотемпературной охлаждающей жидкости регулируют, добавляя к ней высокотемпературную охлаждающую жидкость.
Точку росы нагнетаемого воздуха между охладителем 11 нагнетаемого воздуха низкого давления и турбонагнетателем 9 высокого давления можно определить на основе измерений датчика 26 влажности и датчика 24 давления. Температуру нагнетаемого воздуха, выходящего из охладителя 11 нагнетаемого воздуха низкого давления, регулируют, управляя температурой низкотемпературной охлаждающей жидкости, подаваемой в охладитель 11 нагнетаемого воздуха низкого давления. Температуру низкотемпературной охлаждающей жидкости регулируют, добавляя к ней низкотемпературную охлаждающую жидкость, нагретую охладителем 11 нагнетаемого воздуха низкого давления и охладителем 12 нагнетаемого воздуха высокого давления.
Настоящее изобретение может иметь другие варианты, отличающиеся от описанного выше.
Двигатель может быть снабжен двумя параллельными турбонагнетателями 5 низкого давления и двумя параллельными турбонагнетателями 8 высокого давления. В этом случае двигатель 1 содержит отдельный охладитель 11 нагнетаемого воздуха низкого давления для каждого компрессора 6 низкого давления и отдельный охладитель 12 нагнетаемого воздуха высокого давления для каждого компрессора 9 высокого давления. Соответственно, параллельно друг другу устанавливаются дополнительные охладители 20 нагнетаемого воздуха низкого давления. В остальном такой вариант соответствует варианту, показанному на чертеже.
Нагнетаемый воздух может сжиматься только на одной ступени. В этом случае двигатель 1 снабжается только одним турбонагнетателем или двумя параллельными турбонагнетателями и, соответственно, одним охладителем нагнетаемого воздуха или двумя параллельными охладителями нагнетаемого воздуха, установленными после турбонагнетателя (турбонагнетателей).
Нагнетаемый воздух можно сжимать на трех или более ступенях.
Во всех вариантах температуру нагнетаемого воздуха, выходящего из последнего охладителя в направлении потока нагнетаемого воздуха, регулируют так, чтобы она была выше точки росы после этого охладителя, регулируя температуру низкотемпературной охлаждающей жидкости, подаваемой на этот охладитель нагнетаемого воздуха. Температуру низкотемпературной охлаждающей жидкости регулируют, добавляя высокотемпературную охлаждающую жидкость.