RU160238U1

RU160238U1 - INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH GAS-TURBINE SUPPLY

Info

Publication number: RU160238U1
Application number: RU2015136097/06U
Authority: RU
Inventors: Денис Викторович Шабалин; Владимир Самойлович Кукис; Андрей Адиевич Малоземов
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2016-03-10

Abstract

1. Двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, содержащий выпускной и впускной коллекторы, газовую турбину, высокочастотный электрогенератор, ресивер, пневматические форсунки, снабженные электромагнитной системой управления, воздухопроводы, сообщающие ресивер с пневматическими форсунками, компрессор, подающий сжатый воздух во впускной коллектор, который сообщен с компрессором посредством воздуховода, компрессор высокого давления, подающий сжатый воздух в ресивер, который сообщен с компрессором посредством другого воздуховода, топливный бак, топливопроводы, отличающийся тем, что двигатель снабжен вихревой трубой с управляющим дроссельным вентилем и выпускными патрубками с установленными на них клапанами регулирования количества горячего и холодного воздуха, вихревая труба посредством отводного патрубка присоединена к воздуховоду, сообщающему ресивер с компрессором высокого давления, двигатель также снабжен охладителем наддувочного воздуха, установленным в разрыве воздуховода, сообщающего впускной коллектор с компрессором, посредством другого воздуховода охладитель сообщен с выпускными патрубками вихревой трубы.2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в воздуховоде, сообщающем впускной коллектор с компрессором, установлен температурный датчик, расположенный на выходе наддувочного воздуха из охладителя.3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что управляющий дроссельный вентиль, клапаны регулирования количества горячего и холодного воздуха и температурный датчик электрически связаны с регулирующим устройством.1. An internal combustion engine with a gas turbine supercharger comprising exhaust and intake manifolds, a gas turbine, a high-frequency electric generator, a receiver, pneumatic nozzles equipped with an electromagnetic control system, air ducts connecting the receiver with pneumatic nozzles, a compressor supplying compressed air to the intake manifold that is connected with a compressor through the duct, a high pressure compressor that supplies compressed air to the receiver, which is in communication with the compressor through another air duct, fuel tank, fuel lines, characterized in that the engine is equipped with a vortex tube with a control throttle valve and exhaust pipes with valves for regulating the amount of hot and cold air, the vortex tube is connected via an outlet pipe to the duct connecting the receiver with the high-pressure compressor, the engine is also equipped with a charge air cooler installed in the gap of the duct connecting the intake manifold to the compressor, through another From the duct, the cooler is in communication with the outlet pipes of the vortex tube. 2. The engine according to claim 1, characterized in that a temperature sensor is installed in the duct connecting the intake manifold to the compressor, located at the outlet of the charge air from the cooler. 3. The engine according to claim 1, characterized in that the control throttle valve, valves for regulating the amount of hot and cold air and a temperature sensor are electrically connected to the control device.

Description

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к двигателям внутреннего сгорания, и может применяться для повышения мощности, экономичности и надежности двигателей с турбонаддувом.The utility model relates to the field of mechanical engineering, namely, to internal combustion engines, and can be used to increase the power, efficiency and reliability of turbocharged engines.

Известен двигатель внутреннего сгорания по патенту RU 51678, содержащий выпускной и впускной коллекторы. Выпускной коллектор соединен с газовой турбиной, вал которой вращает ротор высокочастотного электрогенератора. Вырабатываемая генератором электроэнергия приводит в действие компрессор, подающий сжатый воздух во впускной коллектор.Known internal combustion engine according to patent RU 51678, containing exhaust and intake manifolds. The exhaust manifold is connected to a gas turbine, the shaft of which rotates the rotor of a high-frequency electric generator. The electricity generated by the generator drives a compressor that supplies compressed air to the intake manifold.

Недостатком известного двигателя являются пониженные экономические и мощностные показатели, так как он не оборудован устройствами регулирования температуры подаваемого в цилиндры двигателя воздуха в зависимости от режимов работы двигателя.A disadvantage of the known engine is reduced economic and power indicators, since it is not equipped with devices for controlling the temperature of the air supplied to the engine cylinders, depending on the engine operating conditions.

Известен двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом и пневматическим распыливанием топлива по патенту RU 127824, принятый за прототип.Known internal combustion engine with gas turbine supercharging and pneumatic atomization of fuel according to patent RU 127824, adopted as a prototype.

Прототип содержит выпускной и впускной коллекторы, причем первый соединен с газовой турбиной, вал которой приводит во вращение ротор высокочастотного электрогенератора и вал компрессора, подающего сжатый воздух во впускной коллектор. Вырабатываемая высокочастотным генератором электроэнергия приводит в действие компрессор высокого давления, сообщенный воздуховодом с ресивером, который воздухопроводами соединен с пневматическими форсунками двигателя. Пневматические форсунки связаны с системой управления работы двигателя и соединены топливопроводами с топливным баком.The prototype contains the exhaust and intake manifolds, the first being connected to a gas turbine, the shaft of which drives the rotor of the high-frequency electric generator and the compressor shaft supplying compressed air to the intake manifold. Electricity generated by the high-frequency generator drives a high-pressure compressor connected by an air duct to a receiver, which is connected by air ducts to the pneumatic nozzles of the engine. Pneumatic nozzles are connected to the engine control system and are connected by fuel lines to the fuel tank.

Однако, как и первый аналог, прототип не оборудован устройствами регулирования температуры надувочного воздуха.However, like the first analogue, the prototype is not equipped with devices for regulating the temperature of the charge air.

Это приводит к тому, что на режимах больших нагрузок температура воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, может доходить до 220°C, в результате чего понижается плотность свежего заряда, уменьшается эффективность теплоиспользования вследствие меньшего количества сгоревшего топлива, падает мощность и ухудшается экономичность двигателя.This leads to the fact that at high load conditions, the temperature of the air entering the engine cylinders can reach 220 ° C, as a result of which the density of the fresh charge decreases, the heat efficiency decreases due to the smaller amount of burnt fuel, the power decreases and the engine's efficiency deteriorates.

При работе известного двигателя на режимах малых нагрузок и холостого хода существенно изменяются условия организации и протекания рабочего процесса: появляется нестабильность топливоподачи в последовательно протекающих циклах, ухудшается распыливание топлива, снижается температура рабочего тела в цилиндре и поверхностей деталей, образующих внутрицилиндровое пространство. Так при работе двигателя ЯМЗ-238 на холостом ходу по сравнению с работой на полной нагрузке почти в два раза (на 45,8%) падает давление впрыскивания топлива [Арсентьев Е.С. Обеспечение работы дизельного двигателя на холостом ходу методом выключения цилиндров / Е.С. Арсентьев и др. // Науч. - техн. сб. НИМИ МО - №4. - Бронницы, 1980. - С. 22-29.], что приводит к уменьшению цикловой подачи топлива, на 32,5% снижается температура среды, в которую подается топливо. В результате увеличивается неполнота его сгорания, растет продолжительность периода задержки воспламенения, что приводит к повышению «жесткости» работы двигателя, процесс сгорания в целом удлиняется, что ухудшает эффективность теплоиспользования и приводит к заметному повышению удельного эффективного расхода топлива. Со снижением температуры рабочего тела, понижается температура носка распылителя форсунки и деталей, образующих внутрицилиндровое пространство. В этих условиях происходит интенсивное накопление «низкотемпературных» отложений, в основе своей представляющих вторичные нефтяные смолы. Продукты уплотнения смол - асфальтены, набухая в масле, формируют на металлических поверхностях лаковые пленки. Последние задерживают на себе любые твердые частички. Особенно подвержены накоплению смолистых отложений канавки поршня. Отложения, образующиеся на выпускных клапанах, могут привести к их неправильной посадке на седло и в результате этого - к утечке рабочего тела. В условиях низкой температуры окружающего воздуха указанные выше проблемы работы двигателей на частичных нагрузках и холостом ходу особенно обостряются.When the well-known engine operates under low load and idle conditions, the conditions for organizing and running the workflow change significantly: instability of the fuel supply in successive cycles occurs, atomization of the fuel worsens, the temperature of the working fluid in the cylinder and the surfaces of the parts forming the in-cylinder space decrease. So when the YaMZ-238 engine is idling, compared with full-load operation, the fuel injection pressure drops almost twice (by 45.8%) [ES Arsentyev Ensuring the operation of a diesel engine idling by turning off the cylinders / E.S. Arsentiev et al. // Scientific. - tech. Sat NIMI MO - №4. - Bronnitsy, 1980. - S. 22-29.], Which leads to a decrease in the cyclic supply of fuel, the temperature of the medium into which the fuel is supplied decreases by 32.5%. As a result, the incompleteness of its combustion increases, the duration of the ignition delay period increases, which leads to an increase in the "rigidity" of the engine, the combustion process generally lengthens, which affects the efficiency of heat use and leads to a noticeable increase in the specific effective fuel consumption. With a decrease in the temperature of the working fluid, the temperature of the tip of the nozzle of the nozzle and the parts forming the inner cylinder space decreases. Under these conditions, an intensive accumulation of "low-temperature" deposits occurs, basically representing secondary petroleum resins. Resin compaction products - asphaltenes, swelling in oil, form lacquer films on metal surfaces. The latter retain any solid particles on themselves. Particularly susceptible to the accumulation of resinous deposits of the piston grooves. Deposits formed on the exhaust valves can lead to improper seating on the seat and, as a result, leakage of the working fluid. In conditions of low ambient temperature, the above-mentioned problems of engine operation at partial loads and idling are especially aggravated.

Суммируя изложенное, можно констатировать, что недостатком прототипа являются: снижение экономических и мощностных показателей двигателей с газотурбинным наддувом, а также снижение их надежности при работе на режимах максимальных нагрузок, и на режиме холостого хода.Summarizing the above, it can be stated that the disadvantage of the prototype is: a decrease in the economic and power indicators of engines with gas turbine supercharging, as well as a decrease in their reliability when operating at maximum loads, and at idle.

Задачей и техническим результатом предложенной полезной модели является повышение экономических и мощностных показателей двигателей внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, а также повышение их надежности при работе двигателей на всех нагрузочных режимах и на режиме холостого хода.The objective and technical result of the proposed utility model is to increase the economic and power indicators of internal combustion engines with gas turbine supercharging, as well as to increase their reliability when the engines are operating at all load conditions and at idle.

Технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом, содержащем выпускной и впускной коллекторы, газовую турбину, высокочастотный электрогенератор, ресивер, пневматические форсунки, снабженные электромагнитной системой управления, воздухопроводы, сообщающие ресивер с пневматическими форсунками, компрессор, подающий сжатый воздух во впускной коллектор, который сообщен с компрессором посредством воздуховода, компрессор высокого давления, подающий сжатый воздух в ресивер, который сообщен с компрессором посредством другого воздуховода, топливный бак, топливопроводы, согласно полезной модели, двигатель снабжен вихревой трубой с управляющим дроссельным вентилем и выпускными патрубками с установленными на них клапанами регулирования количества горячего и холодного воздуха, вихревая труба посредством отводного патрубка присоединена к воздуховоду, сообщающему ресивер с компрессором высокого давления, двигатель также снабжен охладителем наддувочного воздуха, установленным в разрыве воздуховода, сообщающего впускной коллектор с компрессором, посредством другого воздуховода охладитель сообщен с выпускными патрубками вихревой трубы.The technical result is achieved in that in an internal combustion engine with a gas turbine supercharger containing an exhaust and intake manifolds, a gas turbine, a high-frequency electric generator, a receiver, pneumatic nozzles equipped with an electromagnetic control system, air ducts communicating the receiver with pneumatic nozzles, a compressor supplying compressed air to the intake manifold, which is in communication with the compressor through the duct, a high pressure compressor that supplies compressed air to the receiver, which is connected with the compressor through another duct, the fuel tank, fuel lines, according to a utility model, the engine is equipped with a vortex tube with a control throttle valve and exhaust pipes with valves for regulating the amount of hot and cold air installed on them, the vortex tube is connected to the duct connecting the receiver via a branch pipe with a high-pressure compressor, the engine is also equipped with a charge air cooler installed in the gap of the duct communicating the intake a collector with a compressor, through another duct the cooler is in communication with the outlet pipes of the vortex tube.

В воздуховоде, сообщающем впускной коллектор с компрессором, установлен температурный датчик, расположенный на выходе наддувочного воздуха из охладителя.In the duct connecting the intake manifold to the compressor, a temperature sensor is installed located at the outlet of the charge air from the cooler.

Управляющий дроссельный вентиль, клапаны регулирования количества горячего и холодного воздуха и температурный датчик электрически связаны с регулирующим устройством.The control throttle valve, the control valves for the amount of hot and cold air and the temperature sensor are electrically connected to the control device.

Снабжение двигателя вихревой трубой с управляющим дроссельным вентилем позволяет, направляя часть сжатого в компрессоре высокого давления воздуха в вихревую трубу, разделить ее в вихревой трубе на два потока: горячий и холодный, которые выпускаются через выпускные патрубки в воздуховод, присоединенный к охладителю наддувочного воздуха.The supply of the engine with a vortex tube with a control throttle valve allows, by directing a part of the high-pressure air compressed in the compressor to the vortex tube, to divide it in the vortex tube into two streams: hot and cold, which are discharged through exhaust pipes into the air duct connected to the charge air cooler.

Наличие на выпускных патрубках вихревой трубы клапанов регулирования количества горячего и холодного воздуха, подаваемого через воздуховод в охладитель и устройства регулирования, обеспечивает оптимальную температуру наддувочного воздуха при работе двигателя на всех нагрузочных режимах и на режиме холостого хода. Это в свою очередь повышает мощностные и экономические показатели двигателя и его надежность.The presence on the exhaust nozzles of the vortex tube of valves regulating the amount of hot and cold air supplied through the air duct to the cooler and control devices ensures the optimum temperature of the charge air during engine operation at all load conditions and at idle. This, in turn, increases the power and economic performance of the engine and its reliability.

Сущность предложенной полезной модели поясняется схемой двигателя.The essence of the proposed utility model is illustrated by the engine diagram.

Двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом содержит поршневой двигатель внутреннего сгорания 1 с выпускным 2 и впускным 3 коллекторами, причем первый соединен с газовой турбиной 4, вал которой приводит во вращение ротор высокочастотного электрогенератора 5, вырабатывающего электроэнергию, и вал компрессора 6, подающего сжатый воздух во впускной коллектор 3. Вырабатываемая высокочастотным электрогенератором 5 электроэнергия приводит в действие компрессор высокого давления 7, сообщающийся воздуховодом 8 с вихревой трубой 9 и ресивером 10. Ресивер 10 воздухопроводами 11 связан с пневматическими форсунками 12, оборудованными электромагнитной системой управления и соединенными топливопроводами 13 с топливным баком 14. Вихревая труба 9 посредством патрубков 15 холодного воздуха и патрубков 16 горячего воздуха, на которых установлены клапаны 17 регулирования количества холодного воздуха и клапаны 18 горячего воздуха через патрубок 19 сообщается с воздухо-воздушным охладителем наддувочного воздуха 20. На выходе сжатого в компрессоре 6 воздуха из воздухо-воздушного охладителя наддувочного воздуха 20 установлен температурный датчик 21, связанный с регулирующим устройством 22, управляющим клапаном регулирования количества холодного воздуха 17, клапаном регулирования теплого воздуха 18 и дроссельным вентилем 23 вихревой трубы 9.An internal combustion engine with a gas turbine supercharger comprises a reciprocating internal combustion engine 1 with an exhaust 2 and an intake 3 manifolds, the first being connected to a gas turbine 4, the shaft of which drives the rotor of the high-frequency electric generator 5 that generates electricity, and the shaft of the compressor 6, which supplies compressed air to intake manifold 3. Electricity generated by the high-frequency electric generator 5 drives the high-pressure compressor 7, connected by the air duct 8 to the vortex tube 9 and p receiver 10. The receiver 10 by air ducts 11 is connected to pneumatic nozzles 12 equipped with an electromagnetic control system and connected by fuel lines 13 to the fuel tank 14. Vortex tube 9 by means of cold air nozzles 15 and hot air nozzles 16, on which valves 17 for regulating the amount of cold air are installed and the hot air valves 18 through the pipe 19 communicates with the air-to-air cooler of the charge air 20. At the outlet of the compressed air from the compressor 6 from the air-air cool For charge air 20, a temperature sensor 21 is installed, connected to a control device 22, a control valve for controlling the amount of cold air 17, a control valve for warm air 18, and a butterfly valve 23 of the vortex tube 9.

Предложенный двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом работает следующим образом.The proposed internal combustion engine with gas turbine supercharging works as follows.

Отработавшие газы поршневого двигателя внутреннего сгорания 1 по выпускному коллектору 2 поступают в газовую турбину 4, вал которой вращает ротор высокочастотного электрогенератора 5, производящего электроэнергию, используемую для привода в действие компрессора высокого давления 7. Часть энергии, передаваемой от вала газовой турбины 4 ротору высокочастотного электрогенератора 5, передается через него на вал компрессора 6, с помощью которого производится наддув поршневого двигателя внутреннего сгорания 1. Компрессор высокого давления 7 по воздуховоду 8 нагнетает сжатый воздух в ресивер 10, откуда сжатый воздух по воздухопроводам 11 подается к пневматическим форсункам 12, оборудованным электромагнитной системой управления, к которым по топливопроводам 13 поступает топливо из топливного бака 14.The exhaust gases of the reciprocating internal combustion engine 1 through the exhaust manifold 2 enter the gas turbine 4, the shaft of which rotates the rotor of the high-frequency electric generator 5, generating electricity used to drive the high-pressure compressor 7. Part of the energy transmitted from the shaft of the gas turbine 4 to the rotor of the high-frequency electric generator 5, is transmitted through it to the compressor shaft 6, by means of which the piston internal combustion engine 1 is pressurized. High pressure compressor 7 p duct 8 injects compressed air into the receiver 10 from which compressed air through air ducts 11 is supplied to pneumatic nozzles 12, equipped with an electromagnetic control system to which the fuel line 13 is supplied by fuel from the fuel tank 14.

Часть воздуха, сжатого в компрессоре высокого давления 7, поступившая в вихревую трубу 9, разделяется в ней на два потока (холодный и горячий) и по патрубку 15 холодного воздуха и патрубку 16 горячего воздуха, смешиваясь в воздуховоде 19, направляется в воздухо-воздушный охладитель наддувочного воздуха 20.Part of the air compressed in the high-pressure compressor 7, which enters the vortex tube 9, is divided into two flows (cold and hot) and the cold air pipe 15 and hot air pipe 16 are mixed in the air duct 19 and sent to the air-air cooler charge air 20.

Установленный на выходе сжатого в компрессоре 6 воздуха из охладителя наддувочного воздуха 20 датчик температуры 21 передает информацию на регулирующее устройство 22, которое воздействуя на клапаны регулирования количества холодного воздуха 17 и горячего воздуха 18, а также на управляющий дроссельный вентиль 23 вихревой трубы 9, устанавливает такой режим работы вихревой трубы 9, который обеспечивает оптимальную температуру наддувочного воздуха на входе в цилиндры поршневого двигателя внутреннего сгорания.The temperature sensor 21 installed at the outlet of compressed air in the compressor 6 from the charge air cooler 20 transmits information to the control device 22, which, acting on the control valves for the amount of cold air 17 and hot air 18, as well as to the control throttle valve 23 of the vortex tube 9, establishes such the mode of operation of the vortex tube 9, which provides the optimum temperature of charge air at the inlet to the cylinders of a reciprocating internal combustion engine.

По сравнению с прототипом в предлагаемом двигателе внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом двигателе обеспечивается оптимальная температура наддувочного воздуха при работе двигателя на всех нагрузочных режимах, а также на режиме холостого хода и, как следствие, повышение его экономических, мощностных показателей и надежности при работе на всех режимах.Compared with the prototype, the proposed internal combustion engine with a gas turbine supercharged engine provides the optimum temperature of the charge air during engine operation at all load conditions, as well as at idle speed and, as a result, increase of its economic, power indicators and reliability during operation at all modes .

Claims

1. An internal combustion engine with a gas turbine supercharger comprising exhaust and intake manifolds, a gas turbine, a high-frequency electric generator, a receiver, pneumatic nozzles equipped with an electromagnetic control system, air ducts connecting the receiver with pneumatic nozzles, a compressor supplying compressed air to the intake manifold that is connected with a compressor through the duct, a high pressure compressor that supplies compressed air to the receiver, which is in communication with the compressor through another air duct, fuel tank, fuel lines, characterized in that the engine is equipped with a vortex tube with a control throttle valve and exhaust pipes with valves for regulating the amount of hot and cold air, the vortex tube is connected via an outlet pipe to the duct connecting the receiver with the high-pressure compressor, the engine is also equipped with a charge air cooler installed in the gap of the duct connecting the intake manifold to the compressor, through another From the duct, the cooler is in communication with the outlet pipes of the vortex tube.

2. The engine according to claim 1, characterized in that a temperature sensor is installed in the duct connecting the intake manifold to the compressor, located at the outlet of the charge air from the cooler.

3. The engine according to claim 1, characterized in that the control throttle valve, valves for regulating the amount of hot and cold air and a temperature sensor are electrically connected to the control device.