Система питания воздухом комбинированного двигателя с глубоким охлаждением

Предложение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для повышения эффективности охлаждения наддувочного воздуха и повышения мощностных, экономических и экологических показателей комбинированного двигателя с наддувом.
Известна система двухступенчатого охлаждения наддувочного воздуха двигателя для повышения эффективности охлаждения свежего заряда воздуха, содержащая двигатель внутреннего сгорания с турбокомпрессором наддува, охладитель первой ступени, охладитель второй ступени, контур циркуляции хладагента, например, фреона, через последовательно сообщенные между собой нагнетатель, конденсатор, испаритель и абсорбер, где охладитель второй ступени охлаждения наддувочного воздуха выполнен заодно с испарителем контура циркуляции хладагента, а охладитель первой ступени охлаждения наддувочного воздуха включен в контур циркуляции хладагента между абсорбером и нагнетателем (Авторское свидетельство SU №1312204 A1, F02В 29/04, опубликовано 23.05.1987).
В системе двухступенчатого охлаждения наддувочного воздуха используется добавочный контур охлаждения наддувочного воздуха, в котором используется промежуточный теплоноситель хладагент (фреон). В системе двухступенчатого охлаждения наддувочного воздуха атмосферный воздух сжимается в компрессоре турбокомпрессора и при высокой температуре и повышенном давлении поступает в охладитель первой ступени охлаждения наддувочного воздуха, где он предварительно охлаждается. Одновременно в этот охладитель из абсорбера поступает жидкая фаза фреона, где фреон подогревается и поступает в нагреватель. Из турбины турбокомпрессора в нагреватель поступают отработавшие газы, которые нагревают хладагент до температуры кипения, и последний в парообразном состоянии поступает в конденсатор, где охлаждается до низких температур. Одновременно наддувочный воздух поступает в охладитель второй ступени, где он охлаждается и поступает в цилиндры двигателя.
Недостатком известной системы двухступенчатого охлаждения наддувочного воздуха является невозможность ее широкого применения на комбинированных двигателях с наддувом, так как требуется большой объем пространства для размещения элементов системы. Вследствие высокой производительности компрессора турбокомпрессора, система обладает невысокими показателями охлаждения наддувочного воздуха. Система сложна по конструкции, так как в ней используются индивидуальные устройства контура циркуляции дополнительного промежуточного теплоносителя хладагента (фреона), и это требует дополнительного повышенного внимания на герметичность системы, повышенных требований по техническому обслуживанию и контрольному осмотру системы, с целью не допустить утечки хладагента (фреона). Для осуществления циркуляции промежуточного теплоносителя хладагента (фреона) требуется отбор мощности с двигателя. Это в комплексе приводит к усложнению конструкции, к недостаточному охлаждению наддувочного воздуха и снижению эффективности работы комбинированного двигателя с наддувом на различных режимах работы.
Данная конструкция является наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и принята за наиболее близкий аналог (прототип).
Задачей предложения является повышение эффективности охлаждения наддувочного воздуха, и повышение мощностных, экономических и экологических показателей комбинированного двигателя с наддувом.
Решение поставленной задачи достигается тем, что система питания воздухом комбинированного двигателя с глубоким охлаждением снабжена охладительной турбиной, установленной после турбины основного турбокомпрессора двигателя через дополнительный выпускной трубопровод, и предназначенной для преобразования оставшейся кинетической энергии отработавших газов в механическую работу (получения вращательного движения вала с целью передачи его на охладительный компрессор). Установлен охладительный компрессор, предназначенный для нагнетания воздуха от воздушного фильтра в вихревой охладитель через установленные дополнительный воздушный трубопровод и охладительный трубопровод. Охладительная турбина и охладительный компрессор вместе образуют дополнительный охладительный турбокомпрессор (Ханин Н.С. Наддув и нагнетатели автомобильных двигателей / Н.С. Ханин, А.Н. Шерстюк. - М.: Машиностроение, 1985.-221 с.), который по конструкции аналогичен основному турбокомпрессору двигателя. Установлен вихревой охладитель (Азаров А.И. Применение вихревых воздухоохладителей в технологии машиностроения / А.И. Азаров // Технология машиностроения. - 2002. - №2. - С. 36-40.), принцип работы которого основан на общеизвестном эффекте Ранка, состоящий из вихревых труб, в которых поступающий через сопловые отверстия воздух делится на горячую область высокой температуры (формируется по периферии трубы) и холодную область низкой температуры (формируется по центру холодной трубы), и предназначенный в предлагаемой системе для охлаждения воздуха (понижения его температуры). Установлен между компрессором основного турбокомпрессора и впускным трубопроводом двигателя теплообменник (Барановский Н.В. Пластинчатые и спиральные теплообменники / Барановский Н.В. - М.: Машиностроение, 1973.-288 с.), представляющий собой рекуперативное устройство, которое в данной системе предназначено для передачи тепла (тепловой энергии) от нагретого свежего заряда воздуха после компрессора основного турбокомпрессора двигателя охлажденному воздуху после вихревого охладителя. В комплексе это приводит к более глубокому охлаждению свежего заряда воздуха, увеличению массы свежего заряда воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, и тем самым улучшению показателей работы двигателя.
Анализ предлагаемого решения позволяет сделать вывод о его соответствии условиям патентоспособности полезной модели.
Предложение поясняется рисунком, где изображена система питания воздухом комбинированного двигателя с глубоким охлаждением.
Предлагаемая система питания воздухом комбинированного двигателя с глубоким охлаждением содержит двигатель 1, впускной трубопровод 2, выпускной трубопровод 3, компрессор 4, турбину 5, дополнительный выпускной трубопровод 6, нагнетающий трубопровод 7, глушитель 8, воздушный фильтр 9, воздушный трубопровод 10, охладительную турбину 11, охладительный компрессор 12, дополнительный воздушный трубопровод 13, охладительный трубопровод 14, вихревой охладитель 15, теплообменник 16.
Предлагаемая система питания воздухом комбинированного двигателя с глубоким охлаждением работает следующим образом.
При неработающем двигателе система питания воздухом комбинированного двигателя с глубоким охлаждением не работает.
При работающем двигателе отработавшие газы поступают из цилиндров двигателя 1 в выпускной трубопровод 3, а из него поступают на турбину 5 основного турбокомпрессора. Затем отработавшие газы поступают по трубопроводу 6 на охладительную турбину 11 дополнительного турбокомпрессора и далее через глушитель 8 выводятся в окружающую среду. Отработавшие газы на турбине 5 совершают работу по вращательному движению рабочего колеса турбины 5, которое жестко связано с рабочим колесом компрессора 4. Компрессор 4 нагнетает свежий заряд воздуха от воздушного фильтра 9 по воздушному трубопроводу 10, через нагнетающий трубопровод 7, теплообменник 16 и впускной трубопровод 2 в цилиндры двигателя 1. Свежий заряд воздуха в компрессоре 4 сжимается, и его давление и температура повышаются. Отработавшие газы после турбины 5, которые еще обладают энергией, поступают на охладительную турбину 11, совершают работу по вращательному движению рабочего колеса охладительной турбины 11, которое жестко связано с рабочим колесом охладительного компрессора 12. Охладительный компрессор 12 нагнетает воздух от воздушного фильтра 9 по дополнительному воздушному трубопроводу 13 через охладительный трубопровод 14 в вихревой охладитель 15. В вихревом охладителе 15 (принцип работы которого основан на общеизвестном эффекте Ранка) воздушный поток от охладительного компрессора 12 поступает через сопловые отверстия в вихревые трубы, в которых происходит его деление на горячую область высокой температуры (формируется по периферии трубы) и холодную область низкой температуры (формируется по центру холодной трубы). Поток горячего воздуха выводится из вихревого охладителя 15 в окружающую среду. Поток холодного воздуха поступает из вихревого охладителя 15 по трубопроводу в теплообменник 16, охлаждает в нем свежий заряд воздуха, поступающий по нагнетающему трубопроводу 7 от компрессора 4, и отводится в окружающую среду. Таким образом, свежий заряд воздуха, поступающий во впускной трубопровод 2 из теплообменника 16, имеет меньшую температуру (большую плотность), и, следовательно, в цилиндры двигателя 1 поступает свежий заряд воздуха большей массы, необходимой для эффективного процесса сгорания топлива.
По сравнению с наиболее близким аналогом (прототипом), предлагаемая система питания воздухом комбинированного двигателя с глубоким охлаждением, состоящая из конструктивных элементов: двигатель, впускной трубопровод, выпускной трубопровод, компрессор, турбина, глушитель, воздушный фильтр, нагнетающий трубопровод, воздушный трубопровод, обладающих взаимным расположением и связью между собой, и отличающаяся тем, что установлены дополнительные конструктивные элементы: дополнительный выпускной трубопровод, охладительная турбина, охладительный компрессор, дополнительный воздушный трубопровод, охладительный трубопровод, вихревой охладитель и теплообменник, которые в свою очередь в совокупности взаимно расположены и обладают между собой связью. В результате реализации этой связи и их совместной работы происходит передача энергии от отработавших газов двигателя на турбину основного турбокомпрессора и охладительную турбину дополнительного турбокомпрессора, которая приводит в действие охладительный компрессор. Охладительный компрессор в свою очередь нагнетает воздух в вихревой охладитель (работающий по принципу Ранка), в котором он делится на две области -высокой и низкой температуры, и затем воздух низкой температуры (холодный воздух) поступает в теплообменник, в котором происходит передача энергии в форме теплоты от свежего заряда воздуха (сжатого компрессором основного турбокомпрессора и вследствие этого имеющего высокую температуру) холодному воздуху из вихревого охладителя, что позволяет осуществить охлаждение свежего заряда воздуха, поступающего в цилиндры двигателя.
По сравнению с наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемая система питания воздухом комбинированного двигателя с глубоким охлаждением обеспечивает повышение эффективности работы комбинированного дизеля с газотурбинным наддувом, то есть осуществляет более глубокое охлаждение свежего заряда воздуха (увеличивает массу свежего заряда воздуха, поступающего в цилиндры двигателя), и тем самым улучшает мощностные показатели и топливную экономичность, уменьшает количество выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами, возникающих при неполном сгорании топлива.
Указанные преимущества свидетельствуют о достижении поставленной задачи - повышение эффективности охлаждения наддувочного воздуха и повышение мощностных, экономических и экологических показателей комбинированного дизеля с наддувом.