СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НАДДУВОМ
METHOD AND DEVICE FOR COOLING AIR-FUEL MIXTURE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH AIR BLOWER

Изобретение относится к области двигателестроения, и может быть использовано для охлаждения топливовоздушной смеси в стационарных газопоршневых двигателях внутреннего сгорания, имеющих двухступенчатую систему охлаждения топливовоздушной смеси, а также имеющих в наличие воду, предназначенную для. работы водоподготовительной установки котлов теплоэлектроцентрали.
Известен способ запуска двигателя внутреннего сгорания с наддувом (патент US 20180135571 A1, F02B 37/013, опубл. 17.05.2018), в котором охлаждение сжатой в турбокомпрессоре, топливовоздушной смеси происходит в двух последовательно расположенных охладителях, каждый из которых имеет собственный контур циркуляции охлаждающей жидкости. Такое использование контуров приводит к более эффективному снижению температуры топливовоздушной смеси.
Также известно устройство, реализующее способ охлаждения топливовоздушной смеси для двигателей внутреннего сгорания с наддувом (патент JP 2017036707 A, F02B 29/04, опубл. 16.02.2017), содержащее, по меньшей мере, два последовательно расположенных охладителя смеси. Первый охладитель встроен в высокотемпературный контур циркуляции охлаждающей жидкости, а второй в низкотемпературный. Контура не взаимосвязаны друг с другом. Тепло охлаждающей жидкости первого контура используется для нагрева котловой воды. Тепло охлаждающей жидкости второго контура рассеивается в воздухе, с помощью радиатора.
У описанных выше устройств имеется недостаток, заключающийся в недостаточном охлаждении топливовоздушной смеси в случае работы двигателя, при высоких температурах окружающей среды. Вследствие наличия перепадов температур в радиаторе и охладителе, температура топливовоздушной смеси после охладителей будет существенно выше температуры окружающей среды. Данный факт особенно критичен для газопоршневых двигателей, так как может привести к возникновению детонации, из-за которой потребуется снижать мощность двигателя. Так же недостатком является отвод тепла охлаждающей жидкости второго контура в воздух, с помощью радиатора.
Чтобы обеспечить более низкие температуры наддувочного воздуха или смеси, необходимо усовершенствовать ее систему охлаждения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ охлаждения топливовоздушной смеси двигателя внутреннего сгорания с наддувом, (AT 13173 U1, F02B/04, опубл. 15.07.2013), содержащего два основных последовательно расположенных охладителя топливовоздушной смеси. Первый охладитель встроен в высокотемпературный контур циркуляции охлаждающей жидкости. Тепло, отбираемое от первого охладителя, используется в нагревательных контурах тепловой сети. Охлаждение топливовоздушной смеси во втором охладителе происходит с использованием теплообменника типа «смесь/воздух». Тепло из второго охладителя уходит в окружающую среду. Для лучшего охлаждения смеси используют дополнительный третий охладитель (теплообменник), расположенный после первых двух и использующий в качестве охлаждающей среды имеющуюся на электростанции воду из резервуара или проточную воду.
Недостатком способа ближайшего аналога является отвод теплоты второго и третьего контура охлаждения в окружающую среду. Хотя ближайший аналог и предлагает использование воды в качестве охлаждающей среды в дополнительном охладителе, тепловая энергия, извлеченная из этой воды, все равно уходит в окружающую среду. Использование данной теплоты способствовало бы увеличению теплового коэффициента полезного действия теплоэлектроцентралей, работающих на стационарных газопоршневых двигателях.
Недостатком дополнительного третьего охлаждающего устройства является его установка после первых двух, что ведет к повышению гидравлического сопротивления, увеличению габаритов и усложнению конструкции впускного тракта.
Заявляемое изобретение совпадает с ближайшим аналогом тем, что за основу берется стационарный газопоршневой двигатель внутреннего сгорания, охлаждение топливовоздушной смеси в котором происходит в двухступенчатой системе охлаждения, охладители имеют собственный контур циркуляции охлаждающей жидкости, а для снижения температуры топливовоздушной смеси предлагается использовать воду, температура которой ниже температуры окружающей среды.
Заявляемое изобретение имеет существенные признаки, отличные от ближайшего аналога. В предлагаемом нами устройстве дополнительный третий теплообменник установление после первых двух, а в низкотемпературный контур циркуляции охлаждающей жидкости. Также изобретение минимизирует отвод теплоты охлаждающей жидкости в окружающую среду, за счет ее использования для подогрева воды предназначенной для работы водоподготовительной установки.
Задача заявляемого изобретения - расширение функциональных возможностей двухступенчатой системы охлаждения топливовоздушной смеси за счет добавления во второй, низкотемпературный, контур циркуляции охлаждающей жидкости дополнительного теплообменника, использующего в качестве охлаждающей среды воду, предназначенную для работы водоподготовительной установки котлов теплоэлектроцентрали.
В заявляемом изобретении достигается ряд технических результатов. Обеспечивается более низкая температура топливовоздушной смеси, за счет снижения температуры охлаждающей жидкости второго контура. Соответственно, уменьшается вероятность возникновения детонации, и предотвращается снижение мощности двигателя. Уменьшается отвод теплоты охлаждающей жидкости низкотемпературного контура в окружающую среду. Следовательно, повышается тепловой коэффициент полезного действия теплоэлектроцентрали.
Поставленная задача решается, а технические результаты достигаются тем, что в способе охлаждения топливовоздушной смеси двигателя внутреннего сгорания с наддувом, по которому топливовоздушную смесь охлаждают в двух последовательно расположенных охладителях топливовоздушной смеси, имеющих высокотемпературный и низкотемпературный контуры циркуляции охлаждающей жидкости с радиатором «жидкость/воздух», согласно изобретению, охлаждающую жидкость низкотемпературного контура дополнительно охлаждают за счет теплообмена с водой, предназначенной для работы водоподготовительной установки котлов теплоэлектроцентрали.
Поставленная задача решается, а технические результаты достигаются также устройством для охлаждения топливовоздушной смеси двигателя внутреннего сгорания с наддувом, высокотемпературным и низкотемпературным контурами циркуляции охлаждающей жидкости, включающим дополнительный теплообменник с собственной незамкнутой системой движения охлаждающей жидкости и трехходовым клапаном, согласно изобретению, теплообменник установлен в низкотемпературном контуре циркуляции Охлаждающей жидкости, без изменения гидравлического сопротивления наддувочной топливовоздушной смеси.
Кроме того, согласно изобретению, устройство может содержать дополнительный теплообменник с трехходовым клапаном и собственной незамкнутой системой движения охлаждающей жидкости, установленный в низкотемпературном контуре циркуляции охлаждающей жидкости после радиатора «жидкость/воздух».
Кроме того, согласно изобретению, устройство может содержать дополнительный теплообменник с трехходовым клапаном и собственной незамкнутой системой движения охлаждающей жидкости, установленный в низкотемпературном контуре циркуляции охлаждающей жидкости до радиатора «жидкость/воздух».
Кроме того, согласно изобретению, в низкотемпературном контуре циркуляции охлаждающей жидкости может быть установлен второй дополнительный теплообменник, содержащий с первым общую незамкнутую систему движения охлаждающей жидкости, причем первый расположен до радиатора «жидкость/воздух», а второй расположен после радиатора «жидкость/воздух».
Заявляемое изобретение позволит улучшить охлаждение топливовоздушной смеси, что очень важно в условиях работы при высоких температурах окружающей среды. Это снизит склонность двигателя к детонации и тем самым предотвратит снижение мощности двигателя. При этом нет необходимости в усложнении конструкции впускного тракта за счет добавления дополнительного третьего теплообменника топливовоздушной смеси после первых двух, что привело бы к повышению гидравлического сопротивления впускного тракта. Дополнительный теплообменник в низкотемпературном контуре будет активен круглогодично, а отводящее тепло будет использоваться для предварительного подогрева воды, поступающей на водоподготовительную установку котлов. Это позволит снизить отвод теплоты в окружающую среду через воздушный радиатор.
Существо изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего способ охлаждения топливовоздушной смеси двигателя внутреннего сгорания с наддувом, двухконтурной системой охлаждения наддувочного воздуха и дополнительно встроенным во второй низкотемпературный контур циркуляции охлаждающей жидкости теплообменником, расположенным после радиатора «жидкость/воздух».
На фиг. 2 изображена схема устройства, реализующего способ охлаждения топливовоздушной смеси двигателя внутреннего сгорания с наддувом, двухконтурной системой охлаждения наддувочного воздуха и дополнительно встроенным во второй низкотемпературный контур циркуляции охлаждающей жидкости теплообменником, расположенным до радиатора «жидкость/воздух».
На фиг. 3 изображена схема устройства, реализующего способ охлаждения топливовоздушной смеси двигателя внутреннего сгорания с наддувом, двухконтурной системой охлаждения наддувочного воздуха и дополнительно встроенными во второй низкотемпературный контур циркуляции охлаждающей жидкости двумя теплообменниками, расположенными до и после радиатора «жидкость/воздух».
Пример конкретной реализации способа.
Пример конкретной реализации способа будет представлен на примере стационарного четырехтактного газопоршневого двигателя внутреннего сгорания Jenbacher JMS 620. Это двигатель с 20 цилиндрами, жидкостным охлаждением и наддувом топливовоздушной смеси с помощью турбокомпрессора. В процессе работы двигатель сжигает смесь воздуха и газа. Воздух всасывается двигателем через фильтр по двум каналам и перемешивается с газом в газосмесителе, после чего топливовоздушная смесь поступает к турбокомпрессору. После турбокомпрессора уплотненная топливовоздушная смесь направляется в двухступенчатый охладитель топливовоздушной смеси для охлаждения. При нагрузке двигателя 2550 кВт и температуре окружающего воздуха примерно 17°С, в первой ступени охлаждения топливовоздушная смесь охлаждается примерно с 170 до 120°С и после попадает во вторую ступень охлаждения. Нагретая до примерно 95°С охлаждающая жидкость первой ступени охлаждения топливовоздушной смеси используется в нуждах электростанции.
У стационарных газопоршневых двигателей такого типа и мощности температура топливовоздушной смеси после второй ступени охлаждения должна быть снижена максимум до 55°С при максимальной температуре окружающей среды на входе в радиатор 32°С. Это обусловлено появлением детонационного горения. В жаркий период времени года где температура окружающего воздуха превышает 32°С, схема с двухступенчатой системой охлаждения топливовоздушной смеси не будет справляться и мощность двигателя придется снижать из-за ограничений по максимально допустимой температуре топливовоздушной смеси 55°С. В низкотемпературном контуре происходит постоянная циркуляция охлаждающей жидкости. Когда она нагревается, за счет теплообмена с топливовоздушной смесью, до температур 30-41°С, термостат открывает большой круг циркуляции и охлаждающая жидкость направляется в радиатор «жидкость/воздух». Забранное радиатором тепло уходит в атмосферу и не используется в нуждах электростанции.
Так, например, при нагрузке 2550 кВт и температуре окружающего воздуха примерно 17°С топливовоздушная смесь после второго охладителя топливовоздушной смеси снизилась примерно с 120 до 40°С. При этом температура охлаждающей жидкости второго контура циркуляции охлаждающей жидкости проходя через радиатор «жидкость/воздух» снизилась примерно с 38 до 30°С, за счет теплообмена с окружающей средой.
Перепад между температурой окружающей среды и температурой топливовоздушной смеси составляет примерно 23°С.
На теплоэлектроцентралях, использующих стационарные двигатели, имеется вода, предназначенная для работы водоподготовительной установки. Данная установка необходима для приведения параметров воды в соответствие с установленными нормами. Вода после водоподготовительной установки поступает в теплообменники, где нагревается посредством передачи тепла отработавших газов, а после подается в муниципальные тепловые сети на нужды отопления и горячего водоснабжения.
Температура воды на входе в водоподготовительную установку около 7°С. Использование данной воды позволит улучшить охлаждение топливовоздушной смеси. Так, например, при той же нагрузке 2550 кВт и температуре окружающего воздуха 17°С, температуру топливовоздушной смеси можно снизить с 40°С (температура до использования воды) до температуры не выше 30°С посредством установки дополнительного теплообменника в низкотемпературный контур циркуляции охлаждающей жидкости.
Дополнительный теплообменник может быть установлен после радиатора «жидкость/воздух». Данное расположение дополнительного теплообменника, позволит максимально снизить температуру охлаждающей жидкости низкотемпературного контура, что очень важно в летний период времени года. При этом охлаждающая жидкость передаст тепло воде, предназначенной для работы водоподготовительной установки. Так, например, при снижении температуры воздуха после двухступенчатого охладителя топливовоздушной смеси с 47 до 30°С, температура, до которой может быть повышена вода, составляет 10°С, при условии, что изначальная температура воды 7°С.
Но более целесообразно использовать дополнительный теплообменник не в качестве снижения температуры после радиатора, а в качестве утилизации теплоты до радиатора, что очень важно в зимний период времени года. Установка теплообменника до радиатора «жидкость/воздух»позволит при тех же условиях эксперимента увеличить температуру воды с 7 до 25°С. Данное расположение дополнительного теплообменника практически не уступает в охлаждении топливовоздушной смеси.
Также для обеспечения гибкости в настройке температуры охлаждения можно использовать два дополнительных теплообменника установленных до и после радиатора «жидкость/воздух» и имеющих одну общую незамкнутую систему движения охлаждающей жидкости.
Устройство для охлаждения топливовоздушной смеси (фиг. 1) двигателя внутреннего сгорания 1 с турбокомпрессором 2 содержит двухступенчатый охладитель топливовоздушной смеси 3, который состоит из первого охладителя топливовоздушной смеси 4 с высокотемпературным контуром циркуляции охлаждающей жидкости 5, второго охладителя топливовоздушной смеси 6 с низкотемпературным контуром циркуляции охлаждающей жидкости 7. Низкотемпературный контур 7 имеет радиатор «жидкость/воздух» 8 и термостат 9. В низкотемпературный контур 7 дополнительно встроен дополнительный теплообменник 10 с трехходовым клапаном 11. Дополнительный теплообменник 10 имеет собственную незамкнутую систему движения охлаждающей жидкости(воды) 12 и расположен после радиатора «жидкость/воздух» 8. Согласно этой схеме охлаждающая жидкость сначала охлаждается в радиаторе 8, а затем в дополнительном теплообменнике 10. Данная схема обладает большим потенциалом снижения температуры охлаждающей жидкости при высоких температурах окружающей среды.
В процессе работы двигателя внутреннего сгорания 1,топливовоздушная смесь сжимается в турбокомпрессоре 2, сжатая смесь направляется в двухступенчатый охладитель топливовоздушной смеси 3. Охлаждающая жидкость в высокотемпературном контуре охлаждающей жидкости 5, через первый охладитель 4 отводит теплоту от топливовоздушной смеси, и использует ее для нужд электростанции. Далее смесь поступает во второй охладитель 6, где снижает свою температуру за счет теплообмена с охлаждающей жидкостью низкотемпературного контура 7, и после попадает в двигатель 1. Выходящая из второго охладителя 6 охлаждающая жидкость поступает в радиатор «жидкость - воздух» 8. После охлаждающая жидкость поступает в дополнительный теплообменник 10, использующий в качестве охладителя воду, предназначенную для работы водоподготовительной установки. Данная вода проходит через незамкнутую систему движения охлаждающей жидкости 12. За счет теплообмена с охлаждающей жидкостью низкотемпературного контура вода нагревается и далее используется в водоподготовительной установке котлов теплоэлектроцентрали.
Трехходовой клапан 11 регулирует количество охлаждающей жидкости низкотемпературного контура 7 проходящий через дополнительный теплообменник 10. В случае если нет необходимости в дополнительном охлаждении топливовоздушной смеси охлаждающая жидкость низкотемпературного контура 7 не подается в дополнительный теплообменник 10.
В случае отрытого термостата 9 охлаждающая жидкость низкотемпературного контура 7 поступает в радиатор «жидкость - воздух» 8 и возвращается во второй охладитель 6. Если термостат 9 закрыт, тогда охлаждающая жидкость сразу поступает во второй охладитель 6.
Устройство для охлаждения топливовоздушной смеси (фиг. 2) двигателя внутреннего сгорания 1 с турбокомпрессором 2 содержит двухступенчатый охладитель топливовоздушной смеси 3, который состоит из первого охладителя топливовоздушной смеси' 4 с высокотемпературным контуром циркуляции охлаждающей жидкости 5, второго охладителя топливовоздушной смеси 6 с низкотемпературным контуром циркуляции охлаждающей жидкости 7. Низкотемпературный контур 7 имеет радиатор «жидкость/воздух» 8 и термостат 9. В низкотемпературный контур 7 дополнительно встроен дополнительный теплообменник 10 с трехходовым клапаном 11. Дополнительный теплообменник 10 имеет собственную незамкнутую систему движения охлаждающей жидкости (воды) 12 и расположен до радиатора «жидкость/воздух» 8. Использование такой схемы нацелено на эффективное использование температуры охлаждающей жидкости для подогрева воды, предназначенной для работы водоподготовительной установки. Описанное выше расположение дополнительного теплообменника 10 (фиг. 2) позволит снизить температуру охлаждающей жидкости второго контура в летний период работы двигателя, ав зимний период данная схема уменьшит количество теплоты, выбрасываемой через радиатор.
В процессе работы двигателя внутреннего сгорания 1, топливовоздушная смесь сжимается в турбокомпрессоре 2, сжатая смесь направляется в двухступенчатый охладитель топливовоздушной смеси 3. Охлаждающая жидкость в высокотемпературном контуре охлаждающей жидкости 5, через первый охладитель 4 отводит теплоту от топливовоздушной смеси, и использует ее для нужд электростанции. Далее смесь поступает во второй охладитель 6, где снижает свою температуруза счет теплообмена с охлаждающей жидкостью низкотемпературного контура 7, и после попадает в двигатель 1. Выходящая из второго охладителя 6 охлаждающая жидкость поступает в дополнительный теплообменник 10, использующий в качестве охладителя воду, предназначенную для работы водоподготовительной установки. Данная вода проходит через незамкнутую систему движения охлаждающей жидкости 12. За счет теплообмена с охлаждающей жидкостью низкотемпературного контура вода нагревается до более высоких температур нежели в устройстве с установленным дополнительным теплообменником после радиатора «жидкость/воздух» (фиг. 1).
Трехходовой клапан 11 регулирует количество охлаждающей жидкости низкотемпературного контура 7, проходящий через дополнительный теплообменник 10. В случае если нет необходимости в дополнительном охлаждении топливовоздушной смеси охлаждающая жидкость низкотемпературного контура 7 не подается в дополнительный теплообменник 10.
В случае отрытого термостата 9 охлаждающая жидкость низкотемпературного контура 7 поступает в радиатор «жидкость - воздух» 8 и возвращается во второй охладитель 6. Если термостат 9 закрыт, тогда охлаждающая жидкость сразу поступает во второй охладитель 6.
Устройство для охлаждения топливовоздушной смеси (фиг. 3) двигателя внутреннего сгорания 1 с турбокомпрессором 2 содержит двухступенчатый охладитель топливовоздушной смеси 3, который состоит из первого охладителя топливовоздушной смеси 4 с высокотемпературным контуром циркуляции охлаждающей жидкости 5, второго охладителя топливовоздушной смеси 6 с низкотемпературным контуром циркуляции охлаждающей жидкости 7. Низкотемпературный контур 7 имеет радиатор «жидкость/воздух» 8 и термостат 9. В низкотемпературный контур 7 дополнительно встроены два теплообменника 10 и 11, с трехходовыми клапанами 12, 13. Оба теплообменника 10 и 11 имеют общую незамкнутую систему движения охлаждающей жидкости (воды) 14. В соответствии с фиг. 3 система охлаждения топливовоздушной смеси двигателя внутреннего сгорания 1 отличается совместным использованием теплообменников 10 и 11. Такой вариант системы обладает преимуществами обоих вышеописанных схем и большей гибкостью в настройке температуры охлаждения.
В процессе работы двигателя внутреннего сгорания 1, топливовоздушная смесь сжимается в турбокомпрессоре 2, сжатая смесь направляется в двухступенчатый охладитель топливовоздушной смеси 3. Охлаждающая жидкость в высокотемпературном контуре охлаждающей жидкости 5, через первый охладитель 4 отводит теплоту от топливовоздушной смеси, и использует ее для нужд электростанции. Далее смесь поступает во второй охладитель 6, где снижает свою температуру за счет теплообмена с охлаждающей жидкостью низкотемпературного контура 7, и после попадает в двигатель 1. Выходящая из второго охладителя 6 охлаждающая жидкость поступает в теплообменник 10, использующий в качестве охладителя воду, предназначенную для работы водоподготовительной установки. Данная вода проходит через незамкнутую систему движения охлаждающей жидкости 14. Трехходовой клапан 12 регулирует количество охлаждающей жидкости низкотемпературного контура 7 проходящий через теплообменник 10. В случае если нет необходимости в дополнительном охлаждении топливовоздушной смеси охлаждающая жидкость низкотемпературного контура 7 не подается в теплообменник 10. Далее в случае отрытого термостата 9 охлаждающая жидкость низкотемпературного контура 7 поступает в радиатор «жидкость -воздух» 8. Далее охлаждающая вода, в случае открытого трехходового клапана 13, поступает в теплообменник 11, где охлаждается за счет теплообмена с водой проходящей по незамкнутой системе движения охлаждающей жидкости 14. Индивидуальное управление трехходовыми клапанами 12 и 13позволит лучше контролировать температуру топливовоздушной смеси на протяжении всего календарного года.
Итак, заявляемое изобретение позволяет обеспечить более низкую температуру топливовоздушной смеси, без повышения гидравлического сопротивления в газовоздушном тракте. Снимаемую с дополнительного теплообменника теплоту можно использовать для подогрева воды, поступающей на водоподготовительную установку котлов. При этом нет необходимости в изменении количества или конструкции охладителя топливовоздушной смеси, что позволяет модернизировать уже эксплуатируемые поршневые двигатели.