CS216118B1 - Způsob využití odpadového tepla u přeplňovaného pístového, kapalinou chlazeného, spalovacího motoru a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu a zařízení pro využití tepla odváděného chlazením a tepla odváděného výfukovými plyny u přeplňovaného pístového, kapalinou chlazeného, spalovacího motoru s odpařovacím chlazením, kde pára vzniklá odpařením chladící kapaliny je využita pro pohon parní turbiny, přičemž výfukové plyny jsou vedeny do výfukové turbiny pro pohon plnicího kompresoru.

U spalovacích motorů se za spalovaného paliva využívá jen část uvolněného tepla spalováním k přeměně na užitečnou mechanickou práci. Část tepla odváděná chlazením se využívá převážně k vytápění vozidla, hlavní část tohoto tepla je odváděna bez dalšího podstatného využití. U kapalinou chlazených motorů s odpařovacím chlazením je pára vzniklá odpařením chladící kapaliny využita pro pohon parní turbiny. Parní turbina je použita pro pohon pomocných agregátů motoru, jako např. chladícího ventilátoru, nebo jako hnací jednotka v topném okruhu vozidla.

Teplo obsažené ve výfukových plynech ae zčásti využívá k pohonu výfukové trubiny určené pro přeplňování motoru. Výfuková turbina využívá jen menší část tepla obsaženého ve výfukových plynech, z větší části využívá pak tlakových pulsací způsobených pohybem pístů ve válcích motoru.

Při potřebě vyššího stupně přeplňování spalovacích motorů je nutné zvýšit energii vý216118 ' fukových plynů zvýšením jejich teploty a tlaku. Pro zvýšení teplot výfukových plynů je nutné přivádět nadměrné množství paliva, čímž dochází k jeho nadměrné spotřebě vlivem neúčinného spalování. Přitom dochází k nadměrnému tepelnému zatížení funkčních částí rozvodu, spalovacího prostoru a funkčních částí výfukové turbiny.

Pro zvýšení tlaku výfukových plynů je nutné provést změnu časování ventilů, které však nepříznivě ovlivňuje průběh tlaku během výfukového zdvihu pístu' a dochází tak ke snížení celkového výkonu motoru. Dalším způsobem pro docílení zvýšeného přeplňování je odebírání většího výkonu motoru od klikového hřídele pro pohon plnicího dmychadla. Jak u tohoto způsobu, tak u způsobů využívajících zvyšování tepelné energie výfukových plynů lze zvyšovat celkový výkon motoru do určité hranice, za kterou již ke zvyšování nedochází, dochází naopak k poklesu celkového výkonu motoru.

Cílem vynálezu je lepší využití tepla odváděného chlazením a tepla odváděného výfukovými plyny a docílit tím zvýšení výkonu přeplňovaného motoru, aniž se zvýší energetická hladina výfukových plynů a nebo odebírání většího podílu mechanického výkonu od klikového hřídele. Dalším požadavkem je zlepšení plnění přeplňovaného spalovacího motoru, zvláště při náhlých změnách otáček motoru a jeho zatížení, čímž se zajistí lepší složení výfukových plynů při akceleracích a deceleracích. Tento cíl je řešen způsobem využití tepla odváděného chlazením a tepla odváděného výfukovými plyny podle vynálezu tím, že práce páry vypařené z chladící kapaliny, která se přehřívá v přehřívači páry, kde odebírá část tepla z výfukových plynů a dále expanduje v parní turbině a práce výfukových plynů, které expandují za přehřívačem páry ve výfukové turbině, se využije pro přeplňování spalovacího motoru.

Zařízení pro využití tepla podle výše uvedeného způsobu sestává z potrubí přehřáté páry vystupujícího z vrchní části chladícího prostoru a spojeného za přehřívačem páry umístěným na výfukovém potrubí s parní turbinou a z výfukového potrubí spojeného za přehřívačem páry s výfukovou turbinou, přičemž parní turbina a výfuková turbina jsou spojeny s hnacím hřídelem plnícího kompresoru. Parní turbina a výfuková turbina jsou umístěny na společném hřídeli pro pohon plnícího kompresoru, případně je výfuková turbina spojena se samostatným hnacím hřídelem plnícího kompresoru pro jeden stupeň přeplňování a parní turbina je spojena se samostatným hnacím hřídelem plnicího kompresoru pro další stupeň přeplňování. Výhodou způsobu a zařízení pro využití tepla odváděného chlazením a tepla odváděného výfukovými plyny podle vynálezu je lepší využití tepla pro zvýšení výkonu motoru, kdy ae podstatně vyšší část odpadového tepla zúčastní pro zvýšení stupně přeplňování motoru. Současným použitím parní turbiny a výfukové turbiny pro přeplňování spalovacího‘motoru se docílí další výhody v tom, že se při náhlých Změnách otáček a zatížení spalovacího motoru docílí snížení kouřivosti motoru při akceleracích. Při přeplňovaném spalovacím motoru, kde plnící kompresor je poháněn pouze od výfukové turbiny je při náhlém zvýšení otáček motoru rozběh výfukové turbiny vlivem setrvačných hmot rotoru časově delší než zvýšení dávky paliva. Příliš nadměrné množství paliva v tomto okamžiku způsobuje zmíněnou kouřivost motoru a zvýšené exhalace. Při využití parní turbiny jako dalšího zdroje pro přeplňování, se vlivem jejího provozu, který není zdaleka tak závislý na na krátkodobých náhlých změnách otáček, zajištuje dostatečné množství plnicího vzduchu. Rovněž tak při deceleracích dochází takto při použití parní turbiny pro přeplňování spalovacího motoru

lácí výfukových plynů. Parní turbina tak zploštuje charakteristiku tlaku plnícího vzduchu v závislosti na množství vzduchu a otáčkách motoru, což je výhodné pro provoz přeplňovaného spalovacího motoru.

Příklad provedení zařízení pro využití tepla odváděného chlazením a tepla odváděného výfukovými plyny u přeplňovaného spalovacího motoru je znázorněn na výkresech, kde obr, 1 znázorňuje zařízení u jednostupňově přeplňovaného spalovacího motoru a obr. 2 zařízení u dvoustupňové přeplňovaného spalovacího motoru.

Ve spalovacím motoru 1 je spalovací prostor 3 obklopen chladicím prostorem 2 vytvořeným v plášti a v hlavě válce, p pístem 6 spojeným ojnici £ s klikovým hřídelem 8. Vstup a výstup náplně válce je ovládán sacím ventilem £ a výfukovým ventilem 2· K vrchní části chladícího prostoru 2 je napojeno parní potrubí 2 vedoucí do přehřívače 10 páry, ze které vstupuje potrubí 12 přehřáté páry, na které je za uzavíracím ventilem 13 napojeno přívodní potrubí 14 parní turbiny 12. Výstupní potrubí 16 expandované páry je vedeno do kondenzačního zařízení 17, z jehož epodní části je vedeno potrubí 18 kondenzátu. Potrubí 18 kondenzátu ústí do oběhového čerpadla 19. jehož výtlačné potrubí 20 a vestavěným uzavíracím a zpětným ventilem 21 ústí do chladícího prostoru 2.

Výfukové potrubí 11 procházející přehřívačem 10 páry ústí do výfukové turbiny 22. Výfuková turbina 22 je spojena se společným hnacím hřídelem 23 pnícího kompresoru 24. Se společným hnacím hřídelem 23 je zároveň spojena parní turbina 15« Od plnicího kompresoru 24 je vedeno plnicí potrubí 25 motoru. Před kondenzačním zařízením 17 je uspořádán chladicí ventilátor 26 s hnacím motorem 27.

Na obr. 2 je výfuková turbina 22 spojena se samostatným hnacím hřídelem 28 plnicího kompresoru 29 prvního stupně přeplňování motoru, zatímco parní turbina 15 je spojena se samostatným hnacím hřídelem 30 plnícího kompresoru 31 druhého stupně.

Při provozu spalovacího motoru 1 se vé vrchní části chladicího prostoru 2 odpařuje chladicí kapalina, jejíž páry jsou vedeny do přehřívače 10 páry, kde se přehřívají odebíráním tepla od výfukových plynů protékajících výfukovým potrubím 11, Tlak a teplotu páry je možno regulovat uzavíracím ventilem 13. za kterým pára prochází přes přívodní potrubí 14 do parní turbiny 15. kde páry expandují při současném roztáčení rotoru parní, turbiny 12· Výstupním potrubím 16 expandované páry je tato vedena do kondenzačního zařízení 17. kde kondenzuje. Zvýšení kondenzačního účinku je dosaženo chladicím ventilátorem 26. Ze dna kondenzačního zařízení 17 je odčerpávána chladící kapalina Oběhovým čerpadlem 19 ze kterého je vytlačované přes výtlačné potrubí 20 zpět do chladícího prostoru 2. Tlak chladící kapaliny vstupující zpět do chladícího prostoru 2 je regulován uzavíracím a zpětným ventilem 21.

Výfukové plyny vystupující výfukovým potrubím 11 ze spalovacího motoru 1 odevzdávají část svého tepla v přehřívači 10 páry a dále vstupují do výfukové turbiny 22, kde expandují

Silně při současném roztáčení rotoru výfukové turbiny 22« Otáčení rotoru parní turbiny 15 a výfukové turbiny 22 je využito pro pohon hnacího hřídele 23 plnícího kompresoru 24. Nasávaný plnící vzduch je plnícím kompresorem 24 stlačován a veden plnícím potrubím 25 motoru do spalovacího prostoru.

Při náhlém zvýšení otáček spalovacího motoru 1_ se vstřikuje do spalovacího prostoru poměrně značné množství paliva, pro které není k dispozici dostatečné množství vzduchu, nebol rozběh výfukové turbiny 22 je časově delší než zvýšení dávky paliva. V tomto okamžiku se projeví výhoda činnosti parní turbiny 15. které je poměrně méně závislá na otáčkách a zatížení motoru a podstatně zvyšuje dodávku vzduchu do spalovacího prostoru ještě před zvýšením dodávky vzduchu od výfukové turbiny 22. Tím se podstatně zlepšuje složení směsi při akceleraci. Rovněž tak při deceleracích a volnoběhu je činnost parní turbiny 15 dodáváno do motoru větší množství vzduchu než při smanotném působení výfukové turbiny 22 a zlepšuje se tak podstatně složení výfukových plynů s ohledem na exhalace.

Obdobným způsobem se využívá tepla odváděného chlazením a tepla odváděného výfukovými plyny pro přeplňování spalovacího motoru 1_, podle obr. 2. U tohoto motoru se používá dvoustupňové přeplňování spalovacího motoru 1_, kde první přeplňovací stupeň je tvořen plnícím kompresorem 2g 1. stupně poháněným od plynové turbiny 22 a druhý přeplňovaní stupeň je tvořen plnícím kompresorem 31 poháněným od parní turbiny 15. Stejného účinku je možné dosáhnout při použití parní turbiny 15 již v prvním přeplňovacím stupni, zatímco výfuková turbina 22 je použita pro druhý přeplňovací stupeň.

Způsob a zařízení pro využití tepla odváděného chlazením a tepla odváděného výfukovými plyny a jejich společné využití pro přeplňování spalovacího motoru je možné použít jak u motorů čtyřtaktních, tak u motorů dvoutaktních.

Claims (4)

1. Způsob využití odpadového teple u přeplňovaného pístového, kapalinou chlazeného spalovacího motoru s vypařovacím chlazením, kde pára vzniklá vypařováním chladící kapaliny je využita pro pohon parní turbiny, přičemž výfukové plyny jsou vedeny do výfukové turbiny pro pohon plnícího kompresoru, vyznačený tím, £e práce páry vypařené z chladící kapaliny a expandující v parní turbině se využije společně s prací a energií obsaženou ve výfukových plynech expandujících ve výfukové turbině pro přeplňování a pohon jednoho nebo více plnicích kompresorů pro přeplňování spalovacího motoru.

2. Zařízení k provádění způsobu podle bodu 1, sestávající z chladicího prostoru spalovacího motoru, k jehož vrchní části je napojeno potrubí pro odvod odpařené hcladící kapaliny k parní turbině a dále ke kondenzátoru a z výfukového potrubí vedeného k výfukové turbině spojené s plnicím kompresorem, vyznačené tím, že sestává z potrubí (12) přehřáté páry vystupujícího z vrchní části chladícího prostoru (2) a spojeného za přehřívačem (10) páry umístěným na výfukovém potrubí (11) a parní turbinou (15) a z výfukového potrubí (11) spojeného za přehřívačem (10) páry s výfukovou turbinou (22), přičemž parní turbina (15) a výfuková turbi1

216118 5 na (22) jaou spojeny s hnacím hřídelem plnícího kompresoru.

3. Zařízení podle bodu 2, vyznačené tím, jsou umístěny na společném hnacím hřídeli (23) že parní turbina (15) a výfuková turbina (22) pro pohon plnícího kompresoru (24).

4. Zařízení podle bodu 2, vyznačené tím, že výfuková turbina (22) je spojena se samostatným hnacím hřídelem (28) plnícího kompresoru (29) pro jeden stupeň přeplňování a parní turbina (15) je spojena se samostatným hnacím hřídelem (30) plnicího kompresoru (31) pro dalěí stupeň přeplňování.