RU2100626C1 - Method for turbocharging internal-combustion engine - Google Patents
Method for turbocharging internal-combustion engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2100626C1 RU2100626C1 RU9393042499A RU93042499A RU2100626C1 RU 2100626 C1 RU2100626 C1 RU 2100626C1 RU 9393042499 A RU9393042499 A RU 9393042499A RU 93042499 A RU93042499 A RU 93042499A RU 2100626 C1 RU2100626 C1 RU 2100626C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- heat
- air
- cooling
- heat exchanger
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Supercharger (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для разработки и производства турбонаддувных систем двигателей внутреннего сгорания (ДВС). The invention relates to a power system and is intended for the development and production of turbocharged systems of internal combustion engines (ICE).
Из уровня техники известно изобретение, в котором атмосферный воздух сжимается в компрессоре турбокомпрессора, затем охлаждается с помощью низкотемпературного охладителя (SU, aвт.cв. 1312204, F 02 B 29/04, 1987). The invention is known in the art in which atmospheric air is compressed in a compressor of a turbocompressor and then cooled with a low-temperature cooler (SU, aut. St. 1312204, F 02 B 29/04, 1987).
Технической задачей изобретения является выполнение такой системы турбонаддува ДВС, в которой наддувочный воздух охлаждался бы низко-температурным охладителем, который бы сам охлаждался бы атмосферным воздухом. An object of the invention is the implementation of such an ICE turbocharging system in which charge air would be cooled by a low-temperature cooler, which would itself be cooled by atmospheric air.
Поставленная задача решается за счет того, что способ выполнения турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие атмосферного воздуха в компрессоре турбокомпрессора, охлаждение его с помощью низкотемпературного охладителя, в нем использован промежуточный теплоноситель низкокипящий сжиженный газ, который циркулирует по замкнутому промежуточному контуру между двумя рекуперативными пористо-компактными теплообменниками, в одном из которых испарительном, промежуточный теплоноситель воспринимает тепло (тепловую мощность) от наддувочного воздуха, охлаждая его до требуемой температуры, а в другом конденсаторном, отдает его (ее), работая как тепловой насос, охлаждающему атмосферному воздуху, перекачивая тем самым это тепло (тепловую мощность) из испарительного теплообменника в конденсаторный, причем промежуточный теплоноситель по замкнутому контуру прокачивается его компрессором, а после конденсаторного теплообменника он дросселируется в его дроссельном вентиле с требуемым своим захолаживанием перед своей подачей в испарительный теплообменник, пройдя который, промежуточный теплоноситель затем поступает в контурный компрессор, а из него в конденсаторный теплообменник и так далее, при этом степень доохлаждения наддувочного воздуха в испарительном теплообменнике изменяется в пределах , при принятом расчетном колебании температуры атмосферного воздуха в относительных величинах 1 ≅ Tвозд. ≅ 1,447828 и при сохранении расчетных параметров в замкнутом промежуточном контуре.The problem is solved due to the fact that the method of turbocharging an internal combustion engine, including compressing atmospheric air in a turbocompressor compressor, cooling it using a low-temperature cooler, it uses an intermediate coolant, low-boiling liquefied gas, which circulates through a closed intermediate circuit between two regenerative porous compact heat exchangers, in one of which is evaporative, the intermediate heat carrier absorbs heat (thermal power (b) from charging air, cooling it to the required temperature, and in another condenser air, gives it (it), working as a heat pump, to cooling atmospheric air, thereby transferring this heat (thermal power) from the evaporative heat exchanger to the condenser one, and the intermediate heat carrier in a closed circuit it is pumped by its compressor, and after a condenser heat exchanger it is throttled in its throttle valve with its required cooling before it is fed to the evaporative heat exchanger, which, the intermediate heat carrier then enters the loop compressor, and from it to the condenser heat exchanger, and so on, while the degree of post-cooling of the charge air in the evaporative heat exchanger varies within , at the accepted design temperature fluctuation of the atmospheric air in relative values of 1 ≅ T air. ≅ 1,447828 and while maintaining the calculated parameters in a closed intermediate circuit.
В качестве промежуточного теплоносителя используется ожиженный газ. As an intermediate coolant, liquefied gas is used.
Итак, в предлагаемом здесь способе используется в качестве промежуточного теплоносителя реальный ожиженный газ и его дросселирование с использованием эффекта Джоуля-Томсона. So, in the method proposed here, real liquefied gas and its throttling using the Joule-Thomson effect are used as an intermediate coolant.
Из уравнения, описывающего состояние реальных газов Ван-дер-Ваальса (ВдВ), (P + a/V2)•(V b) RT, в котором "а" и "b" постоянные, независящие от P, V и T, разрешая его относительно давления P, нетрудно получить P a/V2, т. е. каждому объему и температуре соответствует одно определенное давление, т. е. в координатах P-V это будут изотермы. Преобразуя полученное уравнение, также нетрудно получить выражение: которое, как видно, является уравнением третьей степени относительно удельного объема V. При достаточно высокой температуре это кубическое уравнение имеет один вещественный корень (два корня комплеконы). Такая ситуация в реальных газах называется критической, при которой, естественно, имеем, Tкр., Pкр. и Vкр..From the equation describing the state of real gases of Van der Waals (VdV), (P + a / V 2 ) • (V b) RT, in which "a" and "b" are constants independent of P, V and T, resolving it with respect to pressure P, it is easy to obtain P a / V 2 , i.e., each volume and temperature corresponds to one specific pressure, i.e., in the PV coordinates these will be isotherms. Transforming the obtained equation, it is also easy to obtain the expression: which, as can be seen, is an equation of the third degree with respect to the specific volume V. At a sufficiently high temperature, this cubic equation has one real root (two roots are complexes). Such a situation in real gases is called critical, in which, naturally, we have T cr. , P cr. and V cr. .
Если T < Tкр., то при этом кубическое уравнение имеет три вещественные корня, что свидетельствует о зигзагообразном двойном перегибе в изотермах ВдВ в координатах P-V (4.6). То есть при T Tкр. изотермы ВдВ в координатах P имеют две экстремальные точки, в которых первые производные ур. ВдВ .If T <T cr. then the cubic equation has three real roots, which indicates a zigzag double inflection in the airborne isotherms in the PV coordinates (4.6). That is, at TT cr. airborne isotherms in the P coordinates have two extreme points at which the first derivatives of ur. Airborne .
При стремлении T к Tкр. эти экстремальные точки начинают сближаться друг с другом, а зигзаг изотермы, при этом, вырождается и при T Tкр. экстремальные точки сливаются в одну точку точку перегиба при полном отсутствии зигзага в единственной критической изотерме ВдВ и в ее точке перегиба критической точке, естественно, и вторая производная 0.With the tendency of T to T cr. these extreme points begin to approach each other, and the zigzag of the isotherm, at the same time, degenerates at TT cr. the extreme points merge into one point, the inflection point in the complete absence of a zigzag in the only critical isotherm of the airborne forces and at its inflection point to the critical point, naturally, the
Из уравнения Ван-дер-Ваальса вида нетрудно получить:
и
Решая все три уравнения совместно, получим:
из которых, после преобразования, получим также полезные соотношения:
Здесь газовую постоянную можно представить, например, как , где μ молекулярный вес вещества, т. е. здесь газовая постоянная отнесена к 1 кг любого газа.From the van der Waals equation of the form it is easy to get:
and
Solving all three equations together, we obtain:
of which, after conversion, we also obtain useful relations:
Here the gas constant can be represented, for example, as , where μ is the molecular weight of the substance, i.e., here the gas constant is assigned to 1 kg of any gas.
Полученные результаты подтверждают чисто физическое представление о том, что все реальные газы являются парами тех или иных жидкостей, причем чем ближе газ к переходу в жидкое состояние, тем больше его отклонение от свойств идеального газа, состояние которого описывается уравнением PV RT. The obtained results confirm the purely physical idea that all real gases are vapors of various liquids, and the closer the gas is to the transition to the liquid state, the greater its deviation from the properties of an ideal gas, the state of which is described by the PV RT equation.
Если сжимать газ при T const (по изотерме), то можно достигнуть состояния насыщения (сжижения газа), соответствующее этой T и некоторому определенному давлению Р. При дальнейшем сжатии газ (пар) будет конденсироваться и в определенный момент полностью превратиться в жидкость. Процесс перехода газа (пара) в жидкость проходит при постоянных температуре и давлении, т. к. давление насыщенного газа (пара) однозначно определяется температурой. If the gas is compressed at T const (in terms of the isotherm), then a saturation (gas liquefaction) state can be achieved corresponding to this T and some specific pressure P. With further compression, the gas (steam) will condense and completely turn into a liquid at a certain moment. The process of transition of a gas (vapor) to a liquid takes place at constant temperature and pressure, since the pressure of a saturated gas (vapor) is uniquely determined by temperature.
Область двухфазных состояний (пар-жидкость) лежит между кривыми кипящей жидкости и сухого насыщенного пара, состоящих из набора (в пределе геометрических мест точек) крайних корней кубического ур. ВдВ V1 и V3, при V1 < V3, согласно их ряда V1 < V2 < V3.The region of two-phase states (vapor-liquid) lies between the curves of boiling liquid and dry saturated steam, consisting of a set (in the limit of the geometrical points) of the extreme roots of cubic ur. VDV V 1 and V 3 , with V 1 <V 3 , according to their series V 1 <V 2 <V 3 .
При увеличении давления P и, разумеется, при одновременном увеличении температуры Т, указанные кривые в совокупности со вторым корнем V2 и двумя экстремальными точками на изотермах устремятся к одной единственной точке, в которой все это сольется, это к критической точке, индивидуальной для каждого конкретного вещества, со своими индивидуальными значениями Pкр., Tкр. и Vкр., характеризующими их критические состояния.With an increase in pressure P and, of course, with a simultaneous increase in temperature T, these curves, together with the second root V 2 and two extreme points on the isotherms, will rush to one single point at which all this will merge, this is to a critical point, individual for each particular substances, with their individual values of P cr. , T cr. and V cr. characterizing their critical states.
При критическом состоянии исчезают различия между жидкостью и паром (газом). Оно является предельным физическим состоянием как для однофазного, так и для распавшегося на две фазы вещества. При температуре более высокой, чем критическая, газ (пар) ни при каких давлениях не может сконденсироваться, т. е. превратиться в жидкость. In a critical state, the differences between the liquid and the vapor (gas) disappear. It is the limiting physical state for both single-phase and substance that decays into two phases. At a temperature higher than critical, gas (steam) cannot under any pressure condense, i.e., turn into a liquid.
Вследствие того, что процесс дросселирования является изоэнтальпийным процессом, т. е. в нем энтальпия (теплосодержание дросселируемого вещества) не изменяется в этом процессе, то эффект дросселирования в дифференциальном представлении имеет вид:
Используя для реальных веществ (газов) уравнение Ван-дер-Ваальса для умеренных давлений, определив , после общих упрощений и преобразований выше приведенного дифференциального уравнения, получим:
где ΔP = P2- P1, а индексы 1 и 2 соответственно относятся к состоянию вещества до и после дросселирования, при этом Cp теплоемкость вещества при постоянном давлении.Due to the fact that the throttling process is an isoenthalpic process, i.e., the enthalpy (heat content of the throttled substance) in it does not change in this process, the throttling effect in the differential representation has the form:
Using the van der Waals equation for moderate pressures for real substances (gases), defining , after general simplifications and transformations of the above differential equation, we obtain:
where ΔP = P 2 - P 1 , and
Из полученного последнего приближенного выражения вытекают варианты, которые представлены в таблице. From the last approximate expression obtained, the options that appear in the table follow.
Изменение знака дроссельного эффекта называется инверсией. Changing the sign of the throttle effect is called inversion.
В точке инверсии и, как следует из выше приведенных выражений, это происходит только при 2a/RT b, откуда имеем Tинв.= 2a/Rb, а учитывая, что Tкр. 8/27•a/Rb (см. выше), получим Tинв. 6,75 Tкр..At inversion point and, as follows from the above expressions, this happens only at 2a / RT b, whence we have T inv. = 2a / Rb, and given that T cr. 8/27 • a / Rb (see above), we obtain T inv. 6.75 T cr .
Таким образом, температура инверсии реальных газов (веществ) по ВдВ в 6,75 раза больше их критических. Thus, the inversion temperature of real gases (substances) by the airborne forces is 6.75 times higher than their critical values.
Как следует из таблицы, температура вещества при дросселировании возрастает, если T1 > Tинв., и понижается, если T1 < Tинв.. Температуры инверсии большинства веществ (газов), за исключением водорода и гелия, достаточно велики и процессы дросселирования обычно идут с понижением температуры веществ, за исключением двух выше оговоренных, но и их, тем не менее, не только захолаживают, но и отжимают дросселированием, предварительно захолодив их жидким воздухом, а водород дросселированием переводят даже в твердое состояние, предварительно захолодив его жидким гелием.As follows from the table, the temperature of the substance during throttling increases if T 1 > T inv. , and decreases if T 1 <T inv. . The inversion temperatures of most substances (gases), with the exception of hydrogen and helium, are quite large and the throttling processes usually go with lowering the temperatures of the substances, with the exception of the two above mentioned, but they are, nevertheless, not only cooled, but also throttled, previously having cooled them with liquid air, and hydrogen is throttled even into a solid state, after having previously cooled it with liquid helium.
Из последнего приближенного уравнения, преобразуя сначала скобку (2a/RT
в), введя в нее и (см. выше), получим
где индекс др. относится к дросселированию, например, Tдр. - температура вещества перед дросселированием (бывший индекс 1), т. е. перед дроссельным вентилем.From the last approximate equation, first transforming the bracket (2a / RT
c) by introducing into it and (see above), we obtain
where the index dr. refers to throttling, for example, T dr. is the temperature of the substance before throttling (former index 1), i.e., before the throttle valve.
Далее, считая в первом приближении, что теплоемкость газообразных веществ Cp≃ Cv+R = 3R+R = 4R, окончательно получим:
При положительной скобке в (1), а она будет положительна для всех нормально сжижающихся веществ, кроме водорода и гелия, при P2- P1= ΔPдр< 0, т. к. при дросселировании всегда P2 < P1, будем иметь и T2- T1= ΔTдр< 0, т. е. T2 < T1, а это означает, что вещество при его дросселировании захолаживается, т. е. здесь будет иметь место так называемый положительный дроссельный эффект. Однако, поскольку ΔTдр и ΔPдр имеют один и тот же отрицательный знак, при положительном знаке скобки, формально, при вычислениях по (1), они оба будут положительными, хотя неформально, а по сути ΔPдр всегда отрицательно.Further, assuming in a first approximation that the heat capacity of gaseous substances is C p ≃ C v + R = 3R + R = 4R, we finally obtain:
With a positive bracket in (1), and it will be positive for all normally liquefying substances, except hydrogen and helium, at P 2 - P 1 = ΔP dr <0, since when throttling is always P 2 <P 1 , we will have and T 2 - T 1 = ΔT dr <0, i.e., T 2 <T 1 , which means that the substance is chilled when it is throttled, i.e., the so-called positive throttle effect will take place here. However, since ΔT dr and ΔP dr have the same negative sign, when the brackets are positive, formally, when calculating according to (1), they will both be positive, although informally, but in fact ΔP dr is always negative.
Если скобка в (1) поменяет знак и станет отрицательной величиной, а это возможно при очень низких Tкр. вещества (например гелия, водорода), то ΔTдр по сути станет положительной величиной, а это означает разогрев вещества при его дросселировании. Чтобы этого не происходило, следует снижать температуру вещества Tдр. перед дросселем, что и делают при сжижении водорода и гелия и отверждении H2.If the bracket in (1) changes sign and becomes a negative value, and this is possible at very low T cr. substances (for example, helium, hydrogen), then ΔT dr will essentially become a positive value, and this means the heating of the substance during its throttling. To avoid this, it is necessary to lower the temperature of the substance T al in front of the inductor, which is what is done by liquefying hydrogen and helium and curing H 2 .
Таким образом, лучшим захолаживающим веществом, при его дросселировании, будет то, у которого выше Tкр., причем вдвойне, поскольку в (1) повышение Tкр. надежно держит не только нужный положительный знак скобки, но увеличивает еще и модуль ΔTдр, что повышает глубину захолаживания.Thus, the best cooling agent, when throttled, is one that has higher T cr. , and doubly, since in (1) an increase in T cr. reliably holds not only the desired positive sign of the bracket, but also increases the module ΔT dr , which increases the depth of cooling.
Глубина захолаживания, как видно из (1), возрастает и с понижением Pкр. вещества, а это, к тому же, при требуемом и фиксированном уровне ΔTдр, дает возможность снижать еще и ΔPдр до минимально допустимого уровня, что чрезвычайно важно для прочности устройств с использованием дроссельного эффекта Джоуля-Томсона, т. к. уровень требуемого перепада давления на дросселе в таких устройствах определяет максимальное давление в их конструкции.The cooling depth, as can be seen from (1), increases with decreasing P cr. substances, and this, moreover, at the required and fixed level ΔT dr , makes it possible to reduce also ΔP dr to the minimum acceptable level, which is extremely important for the strength of devices using the Joule-Thomson throttle effect, since the level of the required difference the pressure on the throttle in such devices determines the maximum pressure in their design.
Из уравнения (1), преобразуя его для дальнейшего анализа, можно получить выражения:
(2)
или
(3)
или, в связи с тем, что,
весьма упрощенное, но тем не менее, очень удобное:
(4)
где ΔTдрx Tдр величины (величина), задаваемые по схемным требованиям (см. чертеж); Pкр/T
(2)
or
(3)
or, due to the fact that,
very simplified, but nonetheless very convenient:
(4)
where ΔT dr x T dr quantities (quantity) specified according to the circuit requirements (see drawing); P cr / T
Поскольку предлагаемое в заявке техническое решение относится к охлаждающим системам, то для нее, в целом, наиболее критической будет ситуация максимально высокой, определяющей ситуацию температуры, температуры окружающего атмосферного воздуха, равной 323,3K (50oC).Since the technical solution proposed in the application relates to cooling systems, for it, in general, the most critical situation will be as high as possible, determining the situation of temperature, ambient air temperature equal to 323.3K (50 o C).
По предлагаемому способу выполнения системы турбонаддува ДВС, атмосферный воздух с такой предельно высокой температурой, с одной стороны, а именно ТКА, нагнетается в испарительный ТО-1, где он, перед подачей в двигатель, должен охладиться до заданной температуры, а с другой стороны, этот же воздух, к примеру, радиаторным вентилятором ДВС и скоростным напором движения транспортного средства, нагнетается в конденсаторный ТО-2, где он предварительно охлаждает промежуточный теплоноситель замкнутого контура двух теплообменников системы (см. чертеж). According to the proposed method of performing an internal combustion engine turbocharging system, atmospheric air with such an extremely high temperature, on the one hand, namely, TCA, is injected into evaporative TO-1, where it must be cooled to a predetermined temperature before being fed to the engine, and on the other hand, the same air, for example, with an internal combustion engine radiator fan and a vehicle’s high-speed head, is pumped into the TO-2 condenser, where it pre-cools the closed loop intermediate coolant of two system heat exchangers (see merchandise).
При адиабатном сжатии воздуха в компрессоре ТКА, например до P 3 атм, при указанной входной ее температуре 323,3K (50oC), его температуре на выходе из компрессора T 443,3K (170oC).With adiabatic compression of the air in the TCA compressor, for example up to P 3 atm, at a specified inlet temperature of 323.3 K (50 o C), its temperature at the compressor outlet T 443.3 K (170 o C).
С такими параметрами наддувочный воздух поступает в испарительный ТО-1, где он охлаждается, например, до температуры 273,3K (0oC) и приобретает, с учетом потерь давления на его прокачку по тракту ТО-1 (например P 0,3 атм), давление на выходе из испарителя P 2,7 атм.With these parameters, the charge air enters the evaporative TO-1, where it is cooled, for example, to a temperature of 273.3K (0 o C) and acquires, taking into account the pressure loss on its pumping along the TO-1 path (for example, P 0.3 atm ), the pressure at the outlet of the evaporator is P 2.7 atm.
С такими параметрами наддувочный воздух подается в ДВС. With these parameters, charge air is supplied to the internal combustion engine.
С другой стороны, во второй тракт испарительного ТО-1, в противоток наддувочному воздуху, подается промежуточный теплоноситель (ПТ), например, с температурой T 263,3K (-10oC) и P 1,3 атм, так чтобы разница температур между наддувочным воздухом и его охладителем ПТ, с этой стороны ТО-1, была бы, к примеру, ΔTmin= 100.On the other hand, an intermediate coolant (PT), for example, with a temperature of T 263.3K (-10 o C) and P 1.3 atm, is fed into the second path of the evaporative TO-1, in countercurrent to the charge air, so that the temperature difference between charge air and its cooler PT, on this side of TO-1, would, for example, ΔT min = 10 0 .
С противоположной стороны ТО-1 температуру ПТ можно принять, например T 273,3K (0oC), так чтобы и разогрев охладителя ПТ составил Tпт 10oC, а его давление на выходе из ТО-1 было бы P 1 атм, т. е. потери давления на прокачку ПТ по ТО-1 и здесь также приняты 0,3 атм. При этом максимальная разница температуры между входящим в ТО-1 наддувочным воздухом и выходящим из него ПТ будет ΔTmax 170oC.On the opposite side of the TO-1, the temperature of the PT can be taken, for example, T 273.3K (0 o C), so that the heating of the cooler PT is T Fri 10 o C, and its pressure at the outlet of the TO-1 would be
По приведенным примерным данным (требованиям) для испарительного ТО-1, можно определить средне-логарифмический температурный напор теплопередачи в нем , который по своему уровню является весьма обнадеживающим. При этом КПД ТО-1 ηто-1, по определению равный отношению реального захолаживания горячего теплоносителя (наддувочного воздуха) к его предельно теоретическому захолаживанию, будет 443,3K 273,3K/443,3K 263,3K 0,9444, т. е. необычайно большой, по-видимому, из-за мизерного ΔTmin 10oC.According to the approximate data (requirements) for the evaporative TO-1, it is possible to determine the average logarithmic temperature head of heat transfer in it , which in its level is very encouraging. In this case, the efficiency of TO-1 η to-1 , by definition equal to the ratio of the real cooling of the hot coolant (charge air) to its extremely theoretical cooling, will be 443.3K 273.3K / 443.3K 263.3K 0.9444, i.e. . unusually large, apparently due to the meager ΔT min 10 o C.
В то же время атмосферный воздух с T 323,3K (50oC), с другой стороны, нагнетается, практически при атмосферном давлении, в конденсаторный ТО-2 для предварительного охлаждения ПТ, противоточно циркулирующего по другому его тракту (см. чертеж). При этом, со стороны входа атмосферного воздуха в ТО-2, перепад температур между указанными двумя его теплоносителями также примем минимальным, т. е. DTmin 10oC. Тогда, согласно принятому ΔTmin= 100 и температуре атмосферного воздуха T 323,3K (50oC), температура выходящего из ТО-2 промежуточного теплоносителя Tпт. Tдр. 333,3K (60oC).At the same time, atmospheric air with T 323.3K (50 o C), on the other hand, is injected, almost at atmospheric pressure, into the condenser TO-2 to pre-cool the PT, countercurrently circulating along its other path (see drawing). At the same time, from the side of atmospheric air inlet into TO-2, the temperature difference between these two coolants is also taken to be minimal, i.e., DT min 10 o C. Then, according to the accepted ΔT min = 10 0 and atmospheric air temperature T 323, 3K (50 o C), the temperature emerging from the TO-2 intermediate coolant T pt. T dr. 333.3K (60 ° C).
С этой температурой ПТ, по схеме чертежа, подается на дроссель, где за счет дросселирования он должен охладиться до T 263,3K (-10oC) и после дросселирования иметь давление P 1,3 атм. Таким образом, на дросселе имеет место температурный перепад Δ Тдр. 70oC.With this temperature, the PT, according to the drawing scheme, is supplied to the throttle, where due to throttling it must cool to T 263.3K (-10 o C) and after throttling it must have a pressure of P 1.3 atm. Thus, on the throttle there is a temperature difference Δ T other 70 o C.
Теперь можно решить вопрос о выборе вещества ПТ, используя для этой цели предельно упрощенное соотношение (4) и справочные данные по указанным веществам. Now it is possible to solve the question of the choice of the substance PT, using for this purpose an extremely simplified relation (4) and reference data on these substances.
Если в (4) подставить оговоренные выше исходные данные, то можно получить: ΔPдр≃ 4,762x70x333,3xPкр/T
Поэтому здесь в качестве промежуточного теплоносителя (ПТ) рекомендуется, для оговоренных условий, использовать C12H26, н-додекан, дающий D Pдр. 4,6627 атм, т. е. минимальный уровень силовой нагрузки конструкции в предлагаемой системе турбонаддува.Therefore, it is recommended here to use C 12 H 26 , n-dodecane, giving DP other 4.6627 atm, i.e. the minimum level of structural load in the proposed turbocharging system, as an intermediate coolant (PT), for the specified conditions.
По цепочке замкнутого промежуточного контура этой системы теперь нетрудно установить, что ее компрессор должен выдавать давление ПТ, при его входе в конденсаторный ТО-2, P2 6,2627 атм, а температура ПТ, при этом, вследствие адиабатного сжатия охладителя, согласно выражению будет T2 273,3• (6,2627)0,2481203 430,85K (175,55oC), здесь для многоатомных веществ K 1,33; при этом разогрев прокачиваемого через ТО-2 атмосферного воздуха, из-за отсутствия здесь ограничений на его массовый расход, можно принять минимальным, порядка Tвозд 10oC. Следовательно, на выходе из ТО-2 атмосферной среды будет иметь T 333,3K (60oC), против входной T 323,3К (50oC).According to the chain of closed intermediate circuit of this system, it is now easy to establish that its compressor should give the pressure of the PT, when it enters the condenser TO-2, P 2 6.2627 atm, and the temperature of the PT, in this case, due to the adiabatic compression of the cooler, according to the expression will be T 2 273.3 • (6.2627) 0.2481203 430.85K (175.55 o C), here for polyatomic substances K 1.33; in this case, the heating of atmospheric air pumped through TO-2, due to the absence of restrictions on its mass flow rate here, can be taken to be minimal, on the order of T air of 10 o C. Therefore, at the outlet of TO-2 of the atmospheric environment it will have T 333.3K ( 60 o C), against the input T 323.3K (50 o C).
Таким образом, примерно-приближенная, базовая основа технического задания (ТЗ) для теплогидравлических расчетных исследований предложенного здесь технического решения, получена, правда для предельной высокой, но зато расчетной температуры окружающей атмосферы среды. Thus, an approximately-approximate, basic basis of the technical specifications (TK) for thermohydraulic design studies of the technical solution proposed here has been obtained, however, for an extremely high, but calculated temperature of the surrounding atmosphere.
Вместе с тем, в этой базовой основе, однако, нехватает, по предлагаемому здесь способу выполнения системы турбонаддува, уровень передаваемой ею тепловой мощности, которую, между тем, можно определить по мнемоническому соотношению Qто, кВт ≃ 0,1•Nдвс, лс, естественно, при задании конкретного уровня Nдвс, лс но это уже будет та конкретика, которая несвойственна заявочным материалам.However, in this basic basis, however, it lacks, on the proposed herein a method for performing turbo system, the thermal power level transmitted by it, which, meanwhile, can be determined from mnemonic ratio Q then, KW ≃ 0,1 • N combustion engine, dissolved , of course, when setting a specific level of N ICE, hp, but this will already be the specificity that is not typical of the application materials.
Тем не менее, по предлагаемому здесь способу выполнения системы турбонаддува ДВС, обозначенная Qто, будет проходить по всем ее узлам: теплообменникам, компрессору ТКА и компрессору ЗК (замкнутого контура), а также радиаторному вентилятору.Nevertheless, according to the method of implementing the ICE turbocharging system proposed here, designated Q then , it will pass through all its nodes: heat exchangers, a TCA compressor and a ZK compressor (closed loop), as well as a radiator fan.
В теплообменниках системы указанная тепловая мощность передается между их теплоносителями друг другу практически без потерь и поэтому, в принципе, они не являются ее потребителями, но два компрессора и вентилятор, напротив, ее потребляют, причем с учетом их КПД, их привода могут потреблять большую мощность чем Qто.In the heat exchangers of the system, the indicated heat power is transferred between their heat carriers to each other practically without loss and therefore, in principle, they are not its consumers, but two compressors and a fan, on the contrary, consume it, and taking into account their efficiency, their drives can consume more power than Q then .
Обычно вентилятор во вращение в ДВС приводится двигателем через механическую передачу с его вала и, тем самым, некоторая его мощность тратится на это. Поскольку в предлагаемом техническом решении используется традиционно применяемый в известных системах турбонаддува ТКА, то теперь имеет смысл преобразовать его в ТГКА (турбо-генераторно-компрессорный агрегат), подняв соответственно мощность его турбины, работающей от бросовых выхлопных газов ДВС, до соответствующего уровня, и от его генератора запитать электроприводы трех потребителей. Typically, the fan is rotated in the internal combustion engine by the engine through a mechanical transmission from its shaft and, therefore, some of its power is spent on this. Since the proposed technical solution uses the TKA traditionally used in well-known turbocharging systems, it now makes sense to convert it into a TGKA (turbo-generator-compressor unit) by raising the capacity of its turbine, which works from the internal combustion engine exhaust gases, to the appropriate level, and from its generator to power the electric drives of three consumers.
Полагая, что КПД у этих потребителей одинаковы, получим требуемую мощность турбины ТГКА Qт, кBт = 3Qто/ηпηт= 0,3/ηпηтNдвс, лс, где ηп≃ 0,75 и ηт≃ 0,85 соответственно, КПД потребителей и турбины.Assuming that the efficiency of these consumers is the same, we obtain the required turbine power of the turbine engine ТГКА Q t , kBt = 3Q then / η p η t = 0.3 / η p η t N ICE , hp, where η p ≃ 0.75 and η t ≃ 0.85, respectively, the efficiency of consumers and turbines.
К примеру, примем Nдвс 100 лс ≃ 73,53 кВт. Тогда Qт 47 кВт.For example, we take N ICE 100 hp ≃ 73.53 kW. Then Q t 47 kW.
Примем также термический КПД ДВС ηт 0,5 [5] Тогда максимально теоретическая тепловая мощность ДВС, которую он бы развил в отсутствии потерь (энергия всего сгоревшего топлива превращена в полезную работу), будет
Из полученных цифр следует, что N
From the obtained figures it follows that N
Следовательно, КПД комплексной двигательной установки, турбонаддувная система которой выполнена по предлагаемому техническому решению, будет на уровне 82% т. е. это очень высокий КПД, и все это из-за высокой степени утилизации энергии выхлопных газов в такой установке. Consequently, the efficiency of an integrated propulsion system, the turbocharged system of which is made according to the proposed technical solution, will be at the level of 82%, i.e. this is a very high efficiency, and all this is due to the high degree of utilization of the energy of exhaust gases in such an installation.
Теперь необходимо представить себе, что будет с системой турбонаддува, по предлагаемому здесь способу ее выполнения, если выше принятые ее расчетные атмосферные условия изменятся и, по температуре окружающей атмосферной среды, примут крайне низкий свой уровень Tатм 223,3K (-50oC). Причем, при этом, требования к наддувочному воздуху, естественно, остаются прежними, т. е. он должен, перед подачей в ДВС, иметь прежнюю температуру T 273,3K (0oC) и прежнее давление P 2,7 атм (фиг. 1).Now you need to imagine what will happen to the turbocharging system, according to the method of its implementation proposed here, if its calculated atmospheric conditions adopted above change and, at ambient temperature, take an extremely low level of T atm 223.3K (-50 o C) . Moreover, in this case, the requirements for charge air, naturally, remain the same, i.e., it must, before being supplied to the internal combustion engine, have the same temperature T 273.3K (0 o C) and the previous pressure P 2.7 atm (Fig. 1).
Таким образом, по отношению к расчетным условиям, окружающая среда понизила температуру на 100o, это весьма много.Thus, in relation to the calculated conditions, the environment lowered the temperature by 100 o , this is quite a lot.
При таком понижении, температура от ТКА на входе в испарительный ТО-1 будет Tвх 305,6K (32,3oC), а на выходе из него должна быть прежней Tвых 273,3K (0oC), если конечно, температурная эпюра ПТ (охладителя) в ТО-1 останется также прежней; Tвх 263,3K (-10oC) и Tвых 273,3K (0oC), а возможно и несколько подрегулированной (см. ниже). При этом давление и перепады давлений в ТО-1 должны оставаться примерно прежними. В этом случае в ТО-1 реализуется 19,0335o и hто-1 0,7636. Оба эти показателя существенно отличаются от расчетных, и оба они ниже расчетных.With this decrease, the temperature from the TCA at the inlet to the evaporative TO-1 will be T in 305.6K (32.3 o C), and at the outlet it should be the same T out 273.3K (0 o C), unless of course the temperature diagram of the PT (cooler) in TO-1 will also remain the same; T in 263.3K (-10 o C) and T out 273.3K (0 o C), and possibly a little adjusted (see below). In this case, the pressure and pressure drops in the TO-1 should remain approximately the same. In this case, the TO-1 is implemented 19.0335 o and h t -1 0.7636. Both of these indicators differ significantly from the calculated ones, and both of them are lower than the calculated ones.
Если в конденсаторном ТО-2 опустить воздушную температурную эпюру ниже на 100o, а по требованиям испарительного ТО-1 температурную эпюру промежуточного теплоносителя оставить в нем без изменений от расчетной, т. е. на прежнем уровне, то нетрудно определить 149,53o и hто-2 0,952, против расчетных величин этих параметров по ТО-2, которые соответственно имеют значения 38,44o и ηто-2 0,907. КПД здесь хоть и изменился, но несущественно, а вот температурный напор теплопередачи увеличился в 3,89 раза, а это, при неизменной расчетной конструкции системы, приводит к переохлаждению промежуточного теплоносителя почти до предельно возможного, в такой ситуации, уровня 223,3K (-50oC).If in the condenser TO-2 lower the air temperature diagram below 100 o , and according to the requirements of the evaporative TO-1, leave the temperature diagram of the intermediate coolant in it unchanged from the calculated one, i.e. at the same level, then it is easy to determine 149.53 o and h to-2 0.952, against the calculated values of these parameters for TO-2, which respectively have values 38.44 o and η to-2 0.907. Efficiency here, although it has changed, is not significant, but the temperature head of heat transfer has increased 3.89 times, and this, with a constant design of the system, leads to supercooling of the intermediate coolant to almost the maximum possible level of 223.3K (- 50 o C).
Используя упрощенное выражение (4) и полагая, что, при работающем компрессоре ЗК, перепад давления на дросселе остается прежним, т. е. Δ Pдр. 4,6627 атм, легко вычислить, что температурный перепад при этом на нем будет D Tдр. ≃ 0,2o, т. е. практически его нет. Тогда температура за дросселем будет такой же, как и перед ним, а именно ≈ 223,3 K (-50 C), т.е. на ≈40o ниже требуемой 263,3 K (-10oC) (см. чертеж).Using the simplified expression (4) and assuming that, with the ZK compressor running, the pressure drop across the throttle remains the same, i.e., Δ P dr. 4.6627 atm, it is easy to calculate that the temperature drop in this case will be DT dr. ≃ 0.2 o , i.e., practically it does not exist. Then the temperature behind the choke will be the same as in front of it, namely ≈ 223.3 K (-50 C), i.e. ≈40 o lower than the required 263.3 K (-10 o C) (see drawing).
Есть только одна возможность вернуть конденсаторный ТО-2 в расчетное состояние это снизить процесс захолаживания в нем ПТ предельно холодным атмосферным воздухом за счет частичного или полного прекращения его подачи в конденсаторный ТО-2. Технически это нетрудно осуществить с помощью поворотных жалюзей, способных почти полностью перекрыть каналы воздушного тракта ТО-2, как это обычно делается на радиаторах автомобилей, а также, в дополнение к этому, предусмотреть в системе турбонаддува ДВС еще и байпасную закольцовку ПТ после дросселя через терморегулятор на прямую с компрессором ЗК, вплоть до полного прекращения подачи ПТ в испарительный ТО-1. There is only one possibility to return the condenser TO-2 to its design state is to reduce the process of cooling the PT in it with extremely cold atmospheric air due to the partial or complete cessation of its supply to the condenser TO-2. Technically, it is easy to do this with the help of rotary shutters, which can almost completely block the air ducts of the TO-2 air duct, as is usually done on car radiators, and, in addition, provide for the bypass loop of the PT after the throttle through the temperature regulator in the ICE turbocharger system directly with the compressor ZK, up to the complete cessation of supply of PT to the evaporative TO-1.
Поскольку за расчетную температуру здесь обоснованно принята предельно высокая атмосферная температура 323,3K (50oC) и конструкционный облик ТО-1, впрочем как и всех остальных агрегатов системы, обсчитан и создан, а затем материализован с помощью конструкционных материалов в законченном изделии, которое затем неподвержено никаким изменениям, то при изменении расчетных условий, оно (изделие) функционально будет вести себя, естественно, нерасчетно.Since the calculated temperature here is reasonably accepted as the extremely high atmospheric temperature 323.3K (50 o C) and the structural appearance of TO-1, however, like all other units of the system, it has been calculated and created, and then materialized using structural materials in the finished product, which then it is not subject to any changes, then when the design conditions change, it (the product) will functionally behave, naturally, non-computationally.
Из приведенных выше данных по ТО-1, характеризующих его функциональное поведение, в расчетном и в предельно нерасчетном состояниях, при условии неизменности в нем, при этом, температурной эпюры промежуточного теплоносителя, что, как видно из вышеизложенного, может выполняться, следует главный ситуационный нонсенс, а именно то, что при этом в ТО-1 значительно изменяется температурный напор теплопередачи он уменьшается и составляет почти 1/3 от расчетного напора. Это означает, что крайне холодный воздух, после сжатия в компрессоре ТКА, в этом случае, в испарительном ТО-1, лишь доохлаждается до требуемого уровня.From the above data on TO-1, characterizing its functional behavior, in the calculated and in the extremely non-calculated states, provided that it does not change, at the same time, the temperature diagram of the intermediate coolant, which, as can be seen from the above, can be fulfilled, follows the main situational nonsense , namely, in this case, in the TO-1, the temperature difference in heat transfer significantly changes it decreases and amounts to almost 1/3 of the design pressure. This means that extremely cold air, after compression in the TCA compressor, in this case, in the evaporative TO-1, only cools down to the required level.
Введя понятие степени доохлаждения в испарительном ТО-1, в турбонаддувной системе ДВС, выполняемой по предлагаемому здесь способу, получим еще один его существенный отличительный признак , выполняющийся при принятом расчетном колебании температуры атмосферного воздуха в относительных величинах 1 ≅ Tвозд. ≅ 1,447828 и при сохранении расчетных параметров в замкнутом промежуточном контуре системы.Introducing the concept of degree of cooling in the evaporative TO-1, in a turbocharged ICE system, performed by the method proposed here, we obtain another significant distinguishing feature of it performed at the accepted design temperature fluctuation of atmospheric air in
В рамках отмеченного существенного отличительного признака, в испарительном ТО-1 предложенной турбонаддувной системы, будет автоматически выполняться саморегулирование по отношению к изменению температуры окружающего атмосферного воздуха, естественно, в принятом интервале его изменения. In the framework of the noted significant distinguishing feature, in the evaporative TO-1 of the proposed turbocharged system, self-regulation will be automatically performed with respect to the change in the temperature of the ambient air, naturally, in the accepted interval of its change.
Claims (1)
при принятом расчетном колебании температуры атмосферного воздуха в относительных величинах 1 ≅ Tвозд ≅ 1,447828 и при сохранении расчетных параметров в замкнутом промежуточном контуре.A method of implementing a turbocharging system of an internal combustion engine, comprising compressing atmospheric air in a turbocompressor compressor, cooling it using a low-temperature cooler, characterized in that it uses an intermediate coolant, low-boiling liquefied gas, which circulates through a closed intermediate circuit between two recuperative porous compact heat exchangers, in one of which, evaporative, the intermediate heat carrier receives heat (thermal power) from the charge air, cooling it to the required temperature, and in the other, condenser, gives it (her), working as a heat pump, to the cooling atmospheric air, thereby transferring this heat (thermal power) from the evaporative heat exchanger to the condenser, and the intermediate heat carrier is closed the circuit is pumped by its compressor, and after the condenser heat exchanger it is throttled in its throttle valve with its required cooling before being fed into the evaporative heat exchanger, passing through which the weft heat carrier then enters the loop compressor, and from it to the condenser heat exchanger, and so on, while the degree of post-cooling of the charge air in the evaporative heat exchanger varies within
with the accepted design temperature fluctuation of the atmospheric air in relative values of 1 ≅ T air ≅ 1,447828 and while maintaining the design parameters in a closed intermediate circuit.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU9393042499A RU2100626C1 (en) | 1993-08-24 | 1993-08-24 | Method for turbocharging internal-combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU9393042499A RU2100626C1 (en) | 1993-08-24 | 1993-08-24 | Method for turbocharging internal-combustion engine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU93042499A RU93042499A (en) | 1996-03-10 |
RU2100626C1 true RU2100626C1 (en) | 1997-12-27 |
Family
ID=20146924
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU9393042499A RU2100626C1 (en) | 1993-08-24 | 1993-08-24 | Method for turbocharging internal-combustion engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2100626C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2645888C1 (en) * | 2014-03-07 | 2018-02-28 | Филип КРИСТАНИ | "two-start" internal combustion engine with preliminary cooled compression |
-
1993
- 1993-08-24 RU RU9393042499A patent/RU2100626C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
SU, авторское свидетельство, 1312204, кл. F 02 B 29/04, 1987. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2645888C1 (en) * | 2014-03-07 | 2018-02-28 | Филип КРИСТАНИ | "two-start" internal combustion engine with preliminary cooled compression |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4342200A (en) | Combined engine cooling system and waste-heat driven heat pump | |
US4164850A (en) | Combined engine cooling system and waste-heat driven automotive air conditioning system | |
US5590528A (en) | Turbocharged reciprocation engine for power and refrigeration using the modified Ericsson cycle | |
US3796045A (en) | Method and apparatus for increasing power output and/or thermal efficiency of a gas turbine power plant | |
US7472550B2 (en) | Combined cooling and power plant with water extraction | |
US7398642B2 (en) | Gas turbine system including vaporization of liquefied natural gas | |
US3964891A (en) | Process and arrangement for cooling fluids | |
US4638639A (en) | Gas refrigeration method and apparatus | |
US4094655A (en) | Arrangement for cooling fluids | |
CN1198197A (en) | Method and apparatus for cooling inlet air of gas turbine and internal combustion engine prime movers | |
US3300991A (en) | Thermal reset liquid level control system for the liquefaction of low boiling gases | |
US6161392A (en) | Combined thermodynamic power and cryogenic refrigeration system using binary working fluid | |
US4218891A (en) | Cooling and heat pump systems and methods | |
Lamfon et al. | Modeling and simulation of combined gas turbine engine and heat pipe system for waste heat recovery and utilization | |
Kim et al. | Influence of ambient condition on thermodynamic performance of the humid air turbine cycle | |
US4553397A (en) | Method and apparatus for a thermodynamic cycle by use of compression | |
US4275562A (en) | Composite energy producing gas turbine | |
RU2100626C1 (en) | Method for turbocharging internal-combustion engine | |
Benson et al. | Two-stage turbocharging of diesel engines: a matching procedure and an experimental investigation | |
CN107702429B (en) | Energy efficiency improving device and method for liquid air energy storage system | |
CN113356952B (en) | Combined cooling and power system capable of pre-cooling air at inlet of gas turbine and operation method thereof | |
Plummer et al. | Liquid nitrogen as a non-polluting vehicle fuel | |
KR102545729B1 (en) | Extended gas turbine process including natural gas regasification | |
Bassily | Performance improvements of the recuperated gas turbine cycle using absorption inlet cooling and evaporative aftercooling | |
JPH0278736A (en) | Gas turbine equipment |