RU2704181C1 - Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов - Google Patents

Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов Download PDF

Info

Publication number
RU2704181C1
RU2704181C1 RU2018147701A RU2018147701A RU2704181C1 RU 2704181 C1 RU2704181 C1 RU 2704181C1 RU 2018147701 A RU2018147701 A RU 2018147701A RU 2018147701 A RU2018147701 A RU 2018147701A RU 2704181 C1 RU2704181 C1 RU 2704181C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat exchanger
exhaust gases
turbine
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Application number
RU2018147701A
Other languages
English (en)
Inventor
Геннадий Викторович Пыжанкин
Алексей Александрович Житников
Владимир Александрович Синицын
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ)
Priority to RU2018147701A priority Critical patent/RU2704181C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2704181C1 publication Critical patent/RU2704181C1/ru

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01MLUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M5/00Heating, cooling, or controlling temperature of lubricant; Lubrication means facilitating engine starting
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02Profiting from waste heat of exhaust gases
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Abstract

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению. Двигатель (1) внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов содержит лопаточный завихритель, поверхность которого образована вращением относительно оси и перемещением вдоль нее образующей, пересекающей внутренний диаметр канала таким образом, что след от пересечения этой образующей с поверхностью канала образует винтовую линию, исполненную в соответствии с уравнением лемнискаты Бернулли, обладающей свойством безотрывного течения потока. Лопаточный завихритель установлен при выходе отработавших газов из выпускного коллектора (3) двигателя (1) внутреннего сгорания и на входе во введенный теплообменник (4) со спиральной гофрированной стенкой, создавая в нем эффект Ранка. На выходе из теплообменника (4) по периферии установлены перепускные клапаны, дросселирующие часть более горячих отработавших газов в атмосферу при их высокой температуре перед турбиной турбокомпрессора. Между теплообменником (4) и турбиной турбокомпрессора установлена труба подвода менее горячих отработавших газов из теплообменника (4) к турбине турбокомпрессора. Двигатель (1) снабжен термостатом (10), направляющим для ускорения прогрева масла подогретую в теплообменнике (4) охлаждающую жидкость по малому контуру (11) через змеевик (12) поддона (13) двигателя (1) и направляющим для поддержания оптимальной температуры масла охлажденную жидкость через змеевик (12) поддона (13) двигателя (1), прошедшую по большому контуру (14) через радиатор (15) или систему отопления, связанные с большим контуром (14). Технический результат заключается в повышении эффективности использования энергии отработавших газов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для повышения эффективности работы двигателей внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов (ОГ).
Известен двигатель внутреннего сгорания (ДВС), содержащий впускной и выпускной коллекторы, каталитический нейтрализатор, клапан рециркуляции ОГ с электроприводом и электронным блоком управления, систему выпуска ОГ с датчиком температуры ОГ, установленным на входе в каталитический нейтрализатор и связанным с электронным блоком управления, вихревую трубку, то есть трубку Ранка, состоящую из основной и тангенциально подсоединенной трубок, расположенную на выходе ОГ из цилиндров двигателя и имеющую на одном конце дроссель, связанный с электронным блоком управления, и выходной патрубок подогретого потока ОГ, а на другом конце - выходной патрубок подогретого потока ОГ, который разделен на перепускной патрубок охлажденных ре-циркулируемых ОГ и подводящий патрубок с клапаном регулирования количества холодных ОГ в направлении каталитического нейтрализатора ОГ (патент RU 134995, МПК F01N 3/28 (2006.01)).
Основным недостатком описанного ДВС является не высокий общий коэффициент полезного действия вследствие отсутствия возможности полноты использования энергии отработавших газов, так как, во-первых, тангенциальный подвод ОГ в вихревую трубку, то есть в трубку Ранка, сопровождается повышенными гидравлическими сопротивлениями, так как при истечении ОГ из тангенциально подсоединенной трубки в основную трубку происходит внезапное расширение потока, во-вторых, для утилизации теплоты ОГ не используется разделение потока на горячий и холодный из-за отсутствия теплообменника.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является ДВС, содержащий головку цилиндров с впускными каналами, в которых размещены сменные патрубки с лопаточными завихрителями, поверхность каждого из которых образована вращением относительно оси и перемещением вдоль нее образующей, пересекающей внутренний диаметр канала таким образом, что след от пересечения этой образующей с поверхностью канала образует винтовую линию, исполненную в соответствии с уравнением лемнискаты Бернулли, обладающей свойством безотрывного течения, выпускные каналы, турбокомпрессор (патент RU 2667828, МПК F02В 31/04 (2006.01)! F 02 М 29/06 (2006.01)).
Недостатками описанного ДВС являются не высокий общий коэффициент полезного действия вследствие отсутствия возможности наиболее полного употребления энергии отработавших газов вследствие использования лопаточных завихрителей только для создания вихревого потока свежего заряда в цилиндре ДВС и отсутствия возможности использования лопаточных завихрителей для разделения потока ОГ на горячий и холодный без введения теплообменника; высокие затраты на закрутку потока ОГ, так как лопаточные завихрители обладают малыми сопротивлениями; отсутствие утилизации теплоты ОГ; отсутствие утилизации теплоты в системе отопления. Так разделение потока на горячий и холодный не может быть осуществлено для утилизации теплоты ОГ из-за отсутствия теплообменника, и не может быть осуществлено для снижения высокой температуры ОГ перед турбиной турбокомпрессора.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании ДВС с утилизацией теплоты ОГ с повышенным общим коэффициентом полезного действия, пониженными затратами энергии для закрутки потока ОГ, утилизацией?теплоты в системе отопления.
Решение этой технической проблемы достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов, содержащем лопаточный завихритель, поверхность которого образована вращением относительно оси и перемещением вдоль нее образующей, пересекающей внутренний диаметр канала таким образом, что след от пересечения этой образующей с поверхностью канала образует винтовую линию, исполненную в соответствии с уравнением лемнискаты Бернулли, обладающей свойством безотрывного течения потока, согласно изобретению лопаточный завихритель установлен при выходе отработавших газов из выпускного коллектора двигателя внутреннего сгорания и на входе во введенный теплообменник со спиральной гофрированной стенкой, создавая в нем эффект Ранка. На выходе из теплообменника по периферии установлены перепускные клапаны, дросселирующие часть более горячих отработавших газов в атмосферу при их высокой температуре перед турбиной турбокомпрессора. Между теплообменником и турбиной турбокомпрессора установлена труба подвода менее горячих отработавших газов из теплообменника к турбине турбокомпрессора. Двигатель снабжен термостатом, направляющим для ускорения прогрева масла подогретую в теплообменнике охлаждающую жидкость по малому контуру через змеевик поддона двигателя и направляющим для поддержания оптимальной температуры масла охлажденную жидкость через змеевик поддона двигателя, прошедшую по большому контуру через радиатор или систему отопления, связанными с большим контуром.
Кроме того, внутренняя труба теплообменника выполнена со спиральными ребристыми стенками, увеличивающими теплоотдачу от более горячих отработавших газов в охлаждающую жидкость.
Повышение общего коэффициента полезного действия ДВС обусловлено более эффективным использованием энергии ОГ.
Снижение затрат энергии для закрутки потока ОГ обусловлено меньшими гидравлическими сопротивлениями лопаточного завихрителя на выпуске.
Утилизация теплоты ОГ обусловлена введением теплообменника. Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого ДВС с утилизацией теплоты ОГ; на фиг. 2 представлен вид А с разрезом теплообменника фиг. 1.
Кроме этого, на чертеже дополнительно обозначено следующее:
- сплошной линией со стрелками показано направление движения охлаждающей жидкости (ОЖ) по малому контуру (фиг. 1);
- пунктирной линией со стрелками показано направление движения ОЖ по большому контуру (фиг. 1);
- горизонтальной линией со стрелкой, обращенной слева направо, перед выпускным коллектором, показано направление подвода ОГ из выпускного коллектора ДВС через лопаточный завихритель, установленный на входе в теплообменник (фиг. 2);
- наклонной линией со стрелкой показано направление рециркулируемых ОГ через перепускные клапаны в атмосферу (фиг. 2);
- горизонтальной линией со стрелкой, обращенной слева направо, показано направление подвода ОГ из средней части теплообменника к турбине турбокомпрессора (фиг. 2);
- вертикальнбй линией со стрелкой справа вниз показано направление движения ОГ в атмосферу (фиг. 1, 2).
Предлагаемый ДВС с утилизацией теплоты ОГ содержит ДВС 1, лопаточный завихритель 2, установленный на выходе ОГ из выпускного коллектора 3 и входе в теплообменник 4 со спиральной гофрированной стенкой 5, создавая в нем эффект Ранка. Поверхность лопаточнвго завихрителя 2 образована вращением относительно оси и перемещением вдоль нее образующей, пересекающей внутренний диаметр канала таким образом, что след от пересечения этой образующей с поверхностью канала образует винтовую линию, исполненную в соответствии с уравнением лемнискаты Бернулли, обладающей свойством безотрывного течения потока.
На выходе из теплообменника 4 по периферии установлены перепускные клапаны 6, дросселирующие часть более горячих ОГ через перепускную трубу 7 в атмосферу при их высокой температуре перед турбиной турбокомпрессора 8. Между теплообменником 4 и турбиной ТКР 8 установлена труба подвода 9 для подвода менее горячих ОГ из теплообменника 4 к турбине турбокомпрессора 8.
ДВС 1 снабжен термостатом 10, направляющим для ускорения прогрева масла подогретую в теплообменнике 4 ОЖ по малому контуру 11 через змеевик 12 поддона 13 ДВС 1 и направляющим для поддержания оптимальной температуры масла в поддоне 13 охлажденную ОЖ через змеевик 12 поддона 13, прошедшую по большому контуру 14 через радиатор 15 или систему отопления (не показана), связанными с большим контуром. Принудительная циркуляция ОЖ через внутреннюю полость 16 теплообменника, образованную между гофрированной стенкой 5 и наружной стенкой 17, осуществляется насосом 18.
Внутренняя труба теплообменника 4 выполнена со спиральными ребристыми стенками, увеличивающими теплоотдачу от более горячих ОГ в ОЖ.
Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов работает следующим образом.
Из цилиндров поршневого ДВС 1 ОГ, проходя через выпускной коллектор 3, попадают в теплообменник 4, на входе которого происходит закрутка потока посредством лопаточного завихрителя 2, выполненного по лемнискате Бернулли, причем известно, что такая геометрия лопаточного завихрителя обладает малыми сопротивлениями.
В теплообменнике 4 закрученный поток разделяется на два (эффект Ранка) - менее горячие ОГ, которые направляются по среднему сечению внутренней трубы теплообменника 4, и более горячие ОГ, которые направляются по периферии внутренней трубы теплообменника 4. Последний поток направлен по касательной увеличенной поверхностью гофрированной стенки 5, что уменьшает гидравлические сопротивления, и, соприкасаясь с ребристыми стенками 5 теплообменника 4, увеличивает теплоотдачу в систему охлаждения за счет большего перепада температур между ОГ и ОЖ, а также увеличения поверхности. Направление циркулирующей ОЖ в теплообменнике 4 между гофрированной стенкой 5 и наружной стенкой 17 в противоположную сторону движению ОГ также увеличивает теплоотдачу, так как ОЖ, нагреваясь при движении, контактирует через гофрированные стенки 5 с более нагретыми ОГ.
Из теплообменника 4 ОГ поступают через трубу подвода 9 на турбину турбокомпрессора 8 и далее выбрасываются в атмосферу. При достижении температуры ОГ перед турбиной турбокомпрессора 8 выше допустимой открываются перепускные клапаны 6, при этом часть более горячих ОГ дросселируется через перепускную трубу 14 в атмосферу, а менее горячие поступают на турбину турбокомпрессора 8 и далее выбрасываются в атмосферу, что позволяет увеличить уровень форсирования ДВС.
Известно, что температура ОЖ при прогреве повышается быстрее, чем масло. При прогреве ОЖ, проходя через ДВС 1, выпускной коллектор 3, теплообменник 4, нагревается быстрее и поступает через термостат 10, направляется по малому контуру 11 в змеевик 12, и, подогревая масло в поддоне 13, поступает в насос 18, который осуществляет принудительную циркуляцию ОЖ, тем самым уменьшая время на прогрев ДВС 1. При прогретом ДВС 1, термостат 10 открывается, и поток горячей ОЖ направляется через большой контур 14 в радиатор 15 или систему отопления (не показана). На выходе из радиатора 15 ОЖ имеет температуру меньше, чем температура масла, и, проходя через змеевик 12 к насосу 18, охлаждает масло, тем самым поддерживая его оптимальную температуру.
Данное изобретение позволяет уменьшить гидравлические сопротивления, более полно утилизировать в системе отопления теплоту системы охлаждения и теплоту ОГ, сократить время на прогрев ДВС, поддерживать оптимальную температуру масла, увеличить уровень форсирования ДВС, снизить температуру ОГ перед турбиной турбокомпрессора на больших нагрузках поршневого ДВС, использовать более полно энергию отработавших газов для повышения общего коэффициента полезного действия,

Claims (2)

1. Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов, содержащий лопаточный завихритель, поверхность которого образована вращением относительно оси и перемещением вдоль нее образующей, пересекающей внутренний диаметр канала таким образом, что след от пересечения этой образующей с поверхностью канала образует винтовую линию, исполненную в соответствии с уравнением лемнискаты Бернулли, обладающей свойством безотрывного течения потока, отличающийся тем, что лопаточный завихритель установлен при выходе отработавших газов из выпускного коллектора двигателя внутреннего сгорания и на входе во введенный теплообменник со спиральной гофрированной стенкой, создавая в нем эффект Ранка, на выходе из теплообменника по периферии установлены перепускные клапаны, дросселирующие часть более горячих отработавших газов в атмосферу при их высокой температуре перед турбиной турбокомпрессора, между теплообменником и турбиной турбокомпрессора установлена труба подвода менее горячих отработавших газов из теплообменника к турбине турбокомпрессора, двигатель снабжен термостатом, направляющим для ускорения прогрева масла подогретую в теплообменнике охлаждающую жидкость по малому контуру через змеевик поддона двигателя и направляющим для поддержания оптимальной температуры масла охлажденную жидкость через змеевик поддона двигателя, прошедшую по большому контуру через радиатор или систему отопления, связанные с большим контуром.
2. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, внутренняя труба теплообменника выполнена со спиральными ребристыми стенками, увеличивающими теплоотдачу от более горячих отработавших газов в охлаждающую жидкость.
RU2018147701A 2018-12-28 2018-12-28 Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов RU2704181C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018147701A RU2704181C1 (ru) 2018-12-28 2018-12-28 Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018147701A RU2704181C1 (ru) 2018-12-28 2018-12-28 Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2704181C1 true RU2704181C1 (ru) 2019-10-24

Family

ID=68318606

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018147701A RU2704181C1 (ru) 2018-12-28 2018-12-28 Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2704181C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112412578A (zh) * 2020-11-17 2021-02-26 陈美珠 一种高效自降温排气管
RU221295U1 (ru) * 2023-03-13 2023-10-30 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) Воздухоочиститель системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009100455A1 (en) * 2008-02-07 2009-08-13 Mccutchen Co. Radial counterflow shear electrolysis
RU2522971C1 (ru) * 2013-02-05 2014-07-20 Государственный научный центр Российской Федерации-федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" Ядерная энергодвигательная установка
US20140345579A1 (en) * 2013-05-21 2014-11-27 Robert Bosch Gmbh Engine exhaust gas recirculation cooling system with integrated latent heat storage device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009100455A1 (en) * 2008-02-07 2009-08-13 Mccutchen Co. Radial counterflow shear electrolysis
RU2522971C1 (ru) * 2013-02-05 2014-07-20 Государственный научный центр Российской Федерации-федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" Ядерная энергодвигательная установка
US20140345579A1 (en) * 2013-05-21 2014-11-27 Robert Bosch Gmbh Engine exhaust gas recirculation cooling system with integrated latent heat storage device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112412578A (zh) * 2020-11-17 2021-02-26 陈美珠 一种高效自降温排气管
RU221295U1 (ru) * 2023-03-13 2023-10-30 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) Воздухоочиститель системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU137338U1 (ru) Впускной узел в двигателе (варианты)
RU122448U1 (ru) Смеситель рециркуляции выхлопных газов и система двигателей транспортного средства (варианты)
US10247144B2 (en) Engine exhaust gas recirculation cooling system with integrated latent heat storage device
US10087894B2 (en) Cylinder head of an internal combustion engine
RU2700966C2 (ru) Управляемый патрубок засасывания воздуха для дизельных двигателей
RU2704525C2 (ru) Двигатель с рециркуляцией отработавших газов
US5331930A (en) Univalve engine
BR102013003927A2 (pt) motor de combustão interna
US11448098B2 (en) Arrangement for converting thermal energy from lost heat of an internal combustion engine
CN101718217A (zh) 具有油冷却器的液体冷却内燃发动机及其操作方法
RU2704181C1 (ru) Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов
JP2009097340A (ja) Egr装置
CN201486617U (zh) 具有汽缸盖和汽缸体的装置
JP2003301744A (ja) ピストン冷却装置及び方法
CN108331663A (zh) 大功率v型多缸柴油机系统
JP6551046B2 (ja) エンジン
CN108194198A (zh) 大功率v型16缸柴油机
CN201666179U (zh) 一种具有增强型热分布系统的内燃机
JP6641941B2 (ja) 内燃機関の吸気冷却装置
CN209027326U (zh) 一种螺旋缠绕散热管
RU191758U1 (ru) Поршневой двигатель внутреннего сгорания с рециркуляцией и утилизацией теплоты отработавших газов
JP2001173520A (ja) 液化ガスエンジン
CN208040535U (zh) 大功率v型16缸柴油机
KR100993761B1 (ko) 배기가스 재순환 장치
CN111456847A (zh) 米勒循环增压直喷汽油发动机

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201229