RU2807850C1 - Устройство терморегулирования наддувочного воздуха эжекционного типа - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к системам питания поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) воздухом. Технический результат - повышение эффективности регулирования температуры наддувочного воздуха за счет обеспечения его подогрева и использования различных типов эжеторов. Устройство терморегулирования наддувочного воздуха эжекционного типа для поршневого ДВС 1 с впускными и выпускным коллекторами содержащее газовую турбину 2, компрессор 3, теплообменник наддувочного воздуха 4, температурный датчик 5 и регулирующее устройство 6, управляемое электронным блоком управления (ЭБУ) 7, вихревой эжектор 10, сообщающийся посредством трубопроводов с газовой турбиной 2 и теплообменником наддувочного воздуха 4. Устройство включает вихревую трубу 9 и прямоструйный эжектор 8, соединенные трубопроводами с одной стороны с регулирующим устройством 6, с другой стороны с теплообменником наддувочного воздуха 4. Регулирующее устройство 6 управляется ЭБУ 7 и выполнено с возможностью направлять поток выпускных газов двигателя в вихревой эжектор 10 или в вихревую трубу 9 или в прямоструйный эжектор 8 в зависимости от режима работы двигателя и температуры наддувочного воздуха. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к системам питания поршневых двигателей воздухом и может быть использовано для повышения эффективности работы поршневых двигателей.

Из уровня техники известна система воздухоснабжения танкового дизеля с эжекционным охлаждением наддувочного воздуха (Патент RU № 187543, Опубликован 12.03.2019), содержащая дизель, соединённый впускным коллектором через промежуточный охладитель наддувочного воздуха с компрессором турбокомпрессора и воздухоочиститель. Компрессор соединен общим валом с турбиной турбокомпрессора. Выпускной коллектор, соединяющий турбину турбокомпрессора с дизелем, перед входом в турбину разделен на два патрубка. Патрубок соединяет выпускной коллектор с корпусом турбины. Патрубок соединяет выпускной коллектор с устройством управления газообменом, которое направляет движение газовых потоков, истекающих из патрубка и патрубка турбины. Устройство управления газообменом содержит золотник с двумя поршнями и, соединенными штоком. Золотник от свободного перемещения в корпусе удерживается пружиной. Устройство управления газообменом имеет фланцы для соединения с подводящими трубопроводами и отводящими патрубками. Фланец соединен с тангенциальным сопловым вводом вихревого эжектора. Воздуховод, соединяющийся с соплом пассивного потока вихревого эжектора с матрицей промежуточного охладителя наддувочного воздуха. Фланец отводящего патрубка соединен с рециркуляционным трубопроводом. Трубопровод соединен с тангенциальным соплом вихревой трубы, в которой разделенные потоки рециркулируемого газа направляются по каналам и до распределительного клапана. Управление распределительным клапаном осуществляется от блока управления, данные в блок управления по электрическим проводам передаются от датчика температуры наддувочного воздуха, установленного на выходе из промежуточного охладителя и датчика температуры рециркулируемого газа, установленного после распределительного клапана в трубопроводе.

Также известна система питания воздухом дизеля с комбинированным охлаждением наддувочного воздуха (Патент RU № 197091, Опубликован 30.03.2020), содержащая двигатель, турбокомпрессор, воздухо-воздушный теплообменник, дополнительный теплообменник, магистраль подачи наддувочного воздуха во впускной ресивер двигателя, турбина турбокомпрессора через заслонку соединена с вихревым эжектором, который сообщен с каналом перепуска холодного теплоносителя воздухо-воздушного теплообменника.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявленному является эжекционный охладитель наддувочного воздуха в комбинированных двигателях (Патент RU № 163939, Опубликован 20.08.2016), содержащий поршневой двигатель внутреннего сгорания с выпускными и впускным коллекторами, выхлопной трубой, на которой установлена газовая турбина, приводящая в действие компрессор, соединенный с воздухо-воздушным охладителем наддувочного воздуха и вихревым эжектором.

Общим недостатком рассмотренных конструкций является их низкая эффективность, обусловленная отсутствием возможности обеспечения подогрева наддувочного воздуха, в случае, когда в этом есть необходимость.

Известно, что время прогрева двигателя и скорость износа деталей цилиндропоршневой группы, интенсивность низкотемпературного осмоления, а также его динамическая нагруженность в значительной мере зависит от температуры воздуха на впуске в цилиндры. Для снижения этих негативных факторов применяются меры для подогрева впускного воздуха, особенно в период прогрева двигателя и его работы на частичных нагрузочных режимах при низких температурах окружающего воздуха.

Также в качестве недостатка следует отметить низкое качество регулирования температуры наддувочного воздуха, обусловленное использованием только одного типа эжектора. Так, сравнение экспериментальных данных представленных в работе [Метенин В.И., Савельев С.Н., Черепанов В.Б. Противоточный вихревой эжектор и области его применения / Сборник трудов куйбышевского ордена трудового красного знамени авиационного института «Вихревой эффект и его применение в технике» - Куйбышев, 1988. – с. 110-114] показало, что в режимах с невысоким значением степени сжатия эжектора, коэффициенты эжекции у прямоструйного эжектора значительно выше, чем коэффициенты эжекции у вихревого эжектора. При средних значениях степени сжатия эжектора (14…16) коэффициенты эжекции обоих типов эжекторов соизмеримы. При значениях степени сжатия эжектора (более 16) вихревой эжектор более эффективен. При высоких значениях степени сжатия эжектора (более 50) прямоструйные эжекторы не имеют положительных коэффициентов эжекции. Таким образом становится очевидным, что для обеспечения качественного регулирования температуры наддувочного воздуха в зависимости от выбранного режима работы двигателя и обусловленной им характеристики выпускных газов, являющимися эжектирующим потоком, необходимо использовать разные типы эжекторов. На режимах холостого хода и малых нагрузок, когда энергии выпускных газов не достаточно для создания высоких значений степени сжатия эжектора, целесообразно использовать прямоструйный эжектор, а на динамичных режимах работы двигателя, обуславливающих высокие значения степени сжатия эжектора, целесообразно применять вихревой эжектор.

Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение эффективности регулирования температуры наддувочного воздуха за счет обеспечения его подогрева и использования различных типов эжеторов.

Технический результат достигается тем, что устанавливают вихревую трубу и прямоструйный эжектор, соединенные трубопроводами с одной стороны с регулирующим устройством, с другой стороны с теплообменником наддувочного воздуха, при этом регулирующее устройство, управляемое электронным блоком управления, выполнено с возможностью направлять поток выпускных газов двигателя в вихревой эжектор или в вихревую трубу или в прямоструйный эжектор в зависимости от режима работы двигателя и температуры наддувочного воздуха».

Предложение поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема устройства терморегулирования наддувочного воздуха эжекционного типа.

Заявленное устройство содержит поршневой двигатель внутреннего сгорания 1 с впускными и выпускным коллекторами, газовую турбину 2, компрессор 3, теплообменник наддувочного воздуха 4, датчик температуры 5, регулирующее устройство 6, электронный блок управления 7, прямоструйный эжектор 8 и вихревой эжектор 10, сообщающиеся посредством трубопроводов с газовой турбиной 2 и теплообменником наддувочного воздуха 4, вихревую трубу 9, сообщающуюся посредством трубопроводов с одной стороны с регулирующим устройством 6, с другой стороны – с теплообменником наддувочного воздуха.

Регулирующее устройство 6 имеет возможность выполнять несколько функций:

1. Изменять направление потока выпускных газов в зависимости от решаемой задачи: либо в теплообменник наддувочного воздуха 4, либо в вихревую трубу 9, в атмосферу или в один их эжекторов 8 (10).

2. Изменять расход выпускных газов, поступающих в потребители 9, 8 или 10.

Предлагаемое устройство терморегулирования наддувочного воздуха эжекционного типа работает в двух режимах. В режиме охлаждения наддувочного воздуха и в режиме подогрева наддувочного воздуха.

В режиме охлаждения наддувочного воздуха предлагаемое устройство работает следующим образом. Выпускные газы поршневого двигателя внутреннего сгорания 1 поступают в газовую турбину 2, которая приводит в действие компрессор 3. Компрессор 3 сжимает атмосферный воздух и по трубопроводу подает его в теплообменник наддувочного воздуха 4, откуда воздух попадает в цилиндры поршневого двигателя внутреннего сгорания 1. Выпускные газы через регулирующее устройство 6 подаются в вихревой эжектор 10 (или прямоструйный эжектор 8 в зависимости от режима работы двигателя), во внутренней полости которого за счет организации закрученных потоков (Суслов А.Д., Иванов С.В., Мурашкин А.В., Чижиков Ю.В. Вихревые аппараты [Текст] - М.: Машиностроение, 1984. - с. 106-117) происходит эжектирование (всасывание) атмосферного воздуха и перемешивание с выхлопными газами, которые затем выводятся в атмосферу. Атмосферный воздух засасывается за счет созданного в вихревом эжекторе 10 (прямоструйном эжекторе 8) разряжения и омывает поверхность теплообмена теплообменника наддувочного воздуха 4, снижая температуру свежего заряда воздуха, поступающего в двигатель 1. Установленный на выходе из теплообменника наддувочного воздуха 4 датчик температуры 5 передает информацию на электронный блок управления 7, который, воздействуя на регулирующее устройство 6, изменяющее расход выпускных газов поступающих в вихревой эжектор 10 (прямоструйный эжектор 8), устанавливает такой режим его работы, который обеспечивает требуемую температуру наддувочного воздуха на входе в цилиндры поршневого двигателя внутреннего сгорания 1.

В режиме подогрева наддувочного воздуха предлагаемый терморегулятор работает следующим образом. Датчик температуры 5 передает информацию на электронный блок управления 7 о том, что температура наддувочного воздуха ниже допустимой. В этом случае от электронного блока управления 7 сигнал поступает на регулирующее устройство 6, которое прекращает направлять часть выпускных газов поступающих в вихревой эжектор 10 (или прямоструйный эжектор 8 в зависимости от режима работы двигателя), следовательно прекращается принудительная прокачка охлаждающего воздуха через соты теплообменника наддувочного воздуха 4. Устанавливает такой режим его работы, который обеспечивает требуемую температуру наддувочного воздуха на входе.

В случае низкой температуры окружающего воздуха и работы двигателя на частичных нагрузочных режимах или режиме холостого хода возникает ситуация, когда отключение теплообменника наддувочного воздуха, как это было показано на примере выше, не позволяет обеспечить требуемую температуру наддувочного воздуха, т.е. необходимо обеспечивать его подогрев. В этом случае от электронного блока управления 7 сигнал поступает на регулирующее устройство 6, которое направляет часть выпускных газов в теплообменник наддувочного воздуха 4 (на фиг. показано непрерывной стрелкой), повышая температуру свежего заряда воздуха, поступающего в двигатель 1.

В случае экстремально низкой температуры окружающего воздуха и работы двигателя на частичных нагрузочных режимах или режиме холостого хода к примеру при прогреве двигателя, когда за счет температуры выпускных газов нет возможности обеспечить требуемую температуру наддувочного воздуха, необходимо обеспечивать более высокую температуры подогревающего воздуха. В этом случае от электронного блока управления 7 сигнал поступает на регулирующее устройство 6, которое направляет часть выпускных газов в вихревую трубу 9, где происходит разделение на подогретый и охлажденный поток (Меркулов, А.П. Вихревой эффект и его применение в технике / А.П. Меркулов. – Самара: Оптима, 1997. – 184 с.). Охлажденный поток из вихревой трубы 9 через диффузор холодного потока (на рисунке не показан) выводится в атмосферу, а подогретый через диффузор горячего потока (на рисунке не показан) поступает в теплообменник наддувочного воздуха 4, повышая температуру свежего заряда воздуха, поступающего в двигатель 1 до требуемых значений.

Регулирование температуры газов на выходе из вихревой трубы 9 осуществляется комплексно: по первому каналу за счет изменения расхода выпускных газов через нее регулирующим устройством 6, по второму каналу путём изменения проходного сечения между корпусом вихревой трубы 9 и дросселем (на фиг. не показано), таким образом изменяется общий уровень давления в вихревой трубе 9, а, следовательно, температура на выходах горячего и холодного потоков (Меркулов, А.П. Вихревой эффект и его применение в технике / А.П. Меркулов. – Самара: Оптима, 1997. – 184 с.).

Регулирование мощности вихревого эжектора 10 также осуществляется комплексно: по первому каналу за счет изменения расхода выпускных газов через него регулирующим устройством 6, по второму каналу путём изменения режима истечения активного потока при помощи перемещения иглы в активном сопле (на фиг. не показано) вихревого эжектора 10, таким образом изменяется режим работы вихревого аппарата.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет повысить эффективность регулирования температуры наддувочного воздуха за счет обеспечения его подогрева и использования различных типов эжекторов.

Claims (1)

1. Устройство терморегулирования наддувочного воздуха эжекционного типа, содержащее поршневой двигатель внутреннего сгорания с впускными и выпускным коллекторами, газовую турбину, компрессор, теплообменник наддувочного воздуха, температурный датчик и регулирующее устройство, управляемое электронным блоком управления, вихревой эжектор, сообщающийся посредством трубопроводов с газовой турбиной и теплообменником наддувочного воздуха, отличающееся тем, что включает вихревую трубу и прямоструйный эжектор, соединенные трубопроводами с одной стороны с регулирующим устройством, с другой стороны с теплообменником наддувочного воздуха, при этом регулирующее устройство, управляемое электронным блоком управления, выполнено с возможностью направлять поток выпускных газов двигателя в вихревой эжектор или в вихревую трубу или в прямоструйный эжектор в зависимости от режима работы двигателя и температуры наддувочного воздуха.