RU2155875C2

RU2155875C2 - Method for raising economic efficiency, power capacity, and positive power balance in electrical- equipment system of vehicle using compound-turbine engine

Info

Publication number: RU2155875C2
Application number: RU96112339/06A
Authority: RU
Inventors: В.Р. Бурячко; А.В. Гук; Б.Н. Сидоров; Р.М. Хабиров
Original assignee: Бурячко Владимир Романович; Гук Анатолий Викторович; Сидоров Борис Николаевич; Хабиров Рамиль Мазгутович
Priority date: 1996-06-17
Filing date: 1996-06-17
Publication date: 2000-09-10

Abstract

FIELD: power-plant mechanical engineering; power supply systems. SUBSTANCE: method involves expanding exhaust gases in turbocompressor turbine and in power turbine coupled with engine crankshaft and disconnected from the latter at partial loads and speeds with exhaust gases bypassing mentioned turbine; in the process, generator is driven by crankshaft; novelty is that exhaust gases are first expanded within turbocompressor turbine and then within power turbine bypassing the latter at partial loads and speeds in which case they are expanded within generator drive turbine; generator is disconnected in this case from crankshaft and driven by mentioned turbine through special reduction unit. EFFECT: improved economic efficiency and power capacity of engine as well as positive power balance in on-board supply mains. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к повышению мощности двигателя путем применения компаундной турбины, а также к области электрооборудования транспортных средств, в частности к системам электроснабжения. The invention relates to the field of power engineering, in particular to increasing engine power by using a compound turbine, as well as to the field of electrical equipment of vehicles, in particular to power supply systems.

Известен способ повышения экономичности двигателя внутреннего сгорания путем применения силовой турбины /1/. Однако указанный способа обеспечивает экономичную работу двигателя только при нагрузке, близкой к номинальной, а на режиме частичных нагрузок приводит к ухудшению топливной экономичности силовых установок. A known method of increasing the efficiency of an internal combustion engine by using a power turbine / 1 /. However, this method provides economical operation of the engine only when the load is close to the nominal, and in the partial load mode leads to a deterioration in fuel efficiency of power plants.

Известны способы обеспечения положительного баланса электроэнергии в бортовой сети автомобиля путем уменьшения частоты вращения ротора генератора, соответствующей как началу отдачи, так и отдаче номинальной мощности /2/. Это, в свою очередь, ведет к существенному увеличению массогабаритных показателей генераторов, в том числе к увеличению суммарного момента инерции вращающихся масс подвижных элементов. Known methods for ensuring a positive balance of electricity in the on-board network of a car by reducing the rotor speed of the generator rotor, corresponding to both the beginning of the return and the output of the rated power / 2 /. This, in turn, leads to a significant increase in the overall dimensions of the generators, including an increase in the total moment of inertia of the rotating masses of the moving elements.

Известен способ обеспечения положительного баланса электроэнергии в бортовой сети транспортного средства путем увеличения передаточного числа привода генератора /3/. Однако в этом случае накладываются ограничения на максимальную частоту вращения коленчатого вала двигателя и существенно возрастает нагрузка на элементы привода ротора генератора вследствие увеличения момента инерции вращающихся элементов. A known method of ensuring a positive balance of electricity in the on-board network of a vehicle by increasing the gear ratio of the generator drive / 3 /. However, in this case, restrictions are imposed on the maximum rotational speed of the engine crankshaft and the load on the drive elements of the rotor of the generator increases significantly due to an increase in the moment of inertia of the rotating elements.

Наиболее близким по конструктивному решению и достигаемому результату является способ повышения мощности двигателя внутреннего сгорания /4/, заключающийся в том, что отработавшие газы последовательно расширяют в соединенной с коленчатым валом силовой турбине и турбине турбокомпрессора, при этом в случае работы двигателя на частичных нагрузках газы перепускают мимо силовой турбины, а последнюю отсоединяют от коленчатого вала. В указанном способе перепуск газов предполагается осуществлять при работе двигателя с нагрузкой, составляющей менее 75% от номинальной. При отключении силовой турбины уменьшается противодавление выпуску газов из цилиндров двигателя и увеличивается давление газов перед турбиной турбокомпрессора, приводящее к росту давления наддува, что обеспечивает улучшение воздухообеспечения рабочего процесса, а следовательно, и топливной экономичности силовой установки при работе на частичных режимах. Однако исследования показывают, что в этом случае существенно возрастает часть нереализованной энергии отработавших газов. The closest in constructive solution and the achieved result is a method of increasing the power of the internal combustion engine / 4 /, which consists in the fact that the exhaust gases are sequentially expanded in a power turbine and a turbocharger turbine connected to the crankshaft, while in case of engine operation at partial loads, the gases are allowed to bypass past the power turbine, and the latter is disconnected from the crankshaft. In this method, gas bypass is supposed to be carried out when the engine is running with a load of less than 75% of the nominal. When the power turbine is turned off, the backpressure of the gas exhaust from the engine cylinders decreases and the gas pressure in front of the turbocharger turbine increases, which leads to an increase in boost pressure, which improves the air supply of the working process, and therefore, the fuel efficiency of the power plant when operating in partial modes. However, studies show that in this case, part of the unrealized energy of the exhaust gases increases significantly.

Более того, целый ряд объектов автомобильной техники в основном используется при средних частотах вращения коленчатого вала двигателя (например автомобили повышенной проходимости), а зачастую и при работе двигателя на минимальных оборотах холостого хода (автобусы, автомобили используемые в городских режимах). В бортовой сети указанных объектов в таких условиях невозможно обеспечение положительного баланса электроэнергии, особенно при движении зимой и (или) в условиях ограниченной видимости, а также при наличии дополнительных потребителей электроэнергии. Moreover, a number of objects of automotive equipment are mainly used at medium engine speeds (for example, off-road vehicles), and often when the engine is running at minimum idle speed (buses, cars used in urban modes). In the on-board network of these facilities in such conditions it is impossible to ensure a positive balance of electricity, especially when driving in winter and (or) in conditions of limited visibility, as well as in the presence of additional consumers of electricity.

Настоящее изобретение направлено на повышение эксплуатационной экономичности и мощности двигателя, а также обеспечение положительного баланса электроэнергии в бортовой сети. The present invention is aimed at improving operational efficiency and engine power, as well as ensuring a positive balance of electricity in the on-board network.

Указанная цель достигается тем, что отработавшие газы расширяют последовательно в турбинах турбокомпрессора и силовой турбине, при этом на режиме частичных нагрузок газы перепускают мимо силовой турбины на турбину привода генератора, а силовую турбину и штатный привод генератора отключают от коленчатого вала двигателя. This goal is achieved by the fact that the exhaust gases are expanded sequentially in the turbines of the turbocharger and the power turbine, while at partial loads, the gases are passed by the power turbine to the generator drive turbine, and the power turbine and the standard generator drive are disconnected from the engine crankshaft.

На представленном чертеже, поясняется сущность описываемого способа. In the drawing, the essence of the described method is explained.

При работе двигателя 1 с нагрузкой, близкой к номинальной, отработавшие газы последовательно расширяют в турбине 2 турбокомпрессора, затем в силовой турбине 3, соединенной с коленчатым валом 4 двигателя 1 при помощи шестеренчатой передачи 5 и муфты сцепления 6. Компрессор 7 турбокомпрессора всасывает воздух из атмосферы и подает его по впускному трубопроводу 8 через воздухоохладитель 9 в двигатель 1. Выпускные газы из двигателя направляются на турбину 2 турбокомпрессора, где реализуется основная их энергия, при этом оставшаяся энергия реализуется на силовой турбине 3. При нагрузке и частотах вращения коленчатого вала двигателя меньше 75% от номинальной выпускные газы двигателя 1 перепускают мимо силовой турбины 3 по обводной трубе 10 на турбину 11 привода генератора 12, ротор которого соединен через дополнительную муфту сцепления 13 и редуктор 14 с турбиной 11 привода генератора 12, а через муфту сцепления 15 привода генератора 12 с коленчатым валом 4 двигателя 1. При этом включают дополнительную муфту сцепления 13, а муфту сцепления 15 привода генератора 12 отключают. Для осуществления перепуска в стыке между обводной трубой 10 и газовпускной магистралью 16 силовой турбины 3 установлено специальное устройство 17. When the engine 1 with a load close to the nominal, the exhaust gases are sequentially expanded in the turbine 2 of the turbocharger, then in the power turbine 3 connected to the crankshaft 4 of the engine 1 using a gear 5 and clutch 6. The compressor 7 of the turbocharger draws air from the atmosphere and feeds it through the inlet pipe 8 through the air cooler 9 to the engine 1. The exhaust gases from the engine are directed to the turbocharger turbine 2, where their main energy is realized, while the remaining energy is sold is carried out on a power turbine 3. At a load and engine speeds of less than 75% of the nominal value, the exhaust gases of engine 1 are passed by a power turbine 3 through a bypass pipe 10 to a turbine 11 of a drive of a generator 12, the rotor of which is connected through an additional clutch 13 and a gearbox 14 with the turbine 11 of the drive of the generator 12, and through the clutch 15 of the drive of the generator 12 with the crankshaft 4 of the engine 1. In this case, include an additional clutch 13, and the clutch 15 of the drive of the generator 12 is turned off. For the bypass in the junction between the bypass pipe 10 and the gas inlet line 16 of the power turbine 3, a special device 17 is installed.

При последовательном расположении двух газовых турбин энергетический потенциал газов распределяется в пользу первой по потоку турбины. Кроме того, мощность, необходимая для привода генератора 12, существенно меньше мощности, вырабатываемой силовой турбиной 3, поэтому при направлении выпускных газов на турбину привода генератора противодавление за турбиной 2 турбокомпрессора существенно снизится. Все это улучшает работу турбокомпрессора, что обеспечивает увеличение давления наддува и коэффициента наполнения цилиндров, а следовательно, и мощности двигателя 1 в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы, характерных для автомобильных двигателей внутреннего сгорания. When two gas turbines are arranged in series, the energy potential of the gases is distributed in favor of the first turbine in the stream. In addition, the power required to drive the generator 12 is significantly less than the power generated by the power turbine 3, therefore, when the exhaust gases are directed to the generator drive turbine, the back pressure behind the turbine 2 of the turbocompressor will significantly decrease. All this improves the operation of the turbocompressor, which provides an increase in boost pressure and cylinder filling ratio, and therefore, engine power 1 in a wide range of high-speed and load operating modes characteristic of automotive internal combustion engines.

При перепуске газов на турбину 11 дополнительного привода генератора и увеличения частоты вращения ротора последнего, а следовательно, и величины отдаваемого им тока, обеспечивается положительный баланс электроэнергии в бортовой сети, одновременно уменьшается момент сопротивления провертыванию коленчатого вала 4 двигателя 1, что благоприятно скажется на топливной экономичности двигателя. When transferring gases to the turbine 11 of the alternator’s additional drive and increasing the rotor speed of the latter, and consequently the magnitude of the current supplied to them, a positive balance of electric power is provided in the on-board network, while the moment of resistance to cranking of the crankshaft 4 of engine 1 decreases, which will favorably affect fuel economy engine.

Таким образом, расширение отработавших газов в последовательно соединенных турбине турбокомпрессора и силовой турбине на нагрузках, близких к номинальным, отключение силовой турбины и перепуск отработавших газов на турбину привода генератора на частичных нагрузочных и скоростных режимах с одновременным отключением привода генератора от коленчатого вала обеспечивает повышение топливной экономичности и мощности двигателя за счет лучшей наполняемости его цилиндров свежим зарядом и уменьшения потерь мощности на привод генератора с одновременным обеспечением положительного баланса электроэнергии в бортовой сети за счет увеличения частоты вращения ротора генератора до значений, при которых генератор способен отдавать номинальную мощность. Thus, the expansion of exhaust gases in a series-connected turbine of a turbocompressor and a power turbine at loads close to nominal, shutting down the power turbine and passing the exhaust gases to the generator drive turbine in partial load and high-speed modes while simultaneously disconnecting the generator drive from the crankshaft provides increased fuel economy and engine power due to better filling of its cylinders with fresh charge and reducing power losses on the generator drive with neous providing a positive power balance board supply by increasing the frequency of the generator rotor to the point where the generator is able to deliver nominal power.

Список использованных источников
1. Циннер К. Наддув двигателей внутреннего сгорания / Перевод с нем.; под ред. д-ра техн. наук И.Н. Иванченко. - Л.: Машиностроение, 1978. - 264 с.List of sources used
1. Zinner K. Supercharging internal combustion engines / Translation from it .; under the editorship of Dr. tech. sciences I.N. Ivanchenko. - L .: Engineering, 1978. - 264 p.

2. Электрическое и электронное оборудование автомобилей / С.В. Акимов, Ю.И. Боровских, Ю.П. Чизков. - М.: Машиностроение, 1988. - 280 с., с. 11-13. 2. Electrical and electronic equipment of cars / S.V. Akimov, Yu.I. Borovsky, Yu.P. Chizkov. - M.: Mechanical Engineering, 1988. - 280 p., P. 11-13.

3. Ютт В. Е. Электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 1989. - 287 с., с. 6. 3. Yutt V. E. Electric equipment of cars. - M.: Transport, 1989 .-- 287 p., P. 6.

4. Авторское свидетельство СССР N 477248 М. Кл. F 02 B 37/00 от 10.10.1975 г. Бюллетень N 26 от 15.07.1975 г. 4. Copyright certificate of the USSR N 477248 M. Kl. F 02 B 37/00 of 10/10/1975 Bulletin No. 26 of 07/15/1975

Claims

A method of increasing efficiency, power and ensuring a positive balance of electricity in the electrical system of a vehicle with a turbocompound engine by expanding the exhaust gases in the turbocharger turbine and a power turbine connected to the crankshaft, disconnected from the crankshaft in partial load and high-speed modes with exhaust gas bypass, wherein the generator drive is carried out from the crankshaft of the engine, characterized in that the exhaust gases are initially o expand in the turbine of the turbocharger, and then in the power turbine bypassing them past the power turbine in partial operating modes and expand the generator drive in the turbine, while the generator drive is carried out from the turbine through the corresponding gearbox, and its drive from the engine crankshaft is disconnected.