RU2819471C1 - Supercharging system of internal combustion engine (ice) using free piston gas generator (fpgg) - Google Patents

Supercharging system of internal combustion engine (ice) using free piston gas generator (fpgg) Download PDF

Info

Publication number
RU2819471C1
RU2819471C1 RU2023133420A RU2023133420A RU2819471C1 RU 2819471 C1 RU2819471 C1 RU 2819471C1 RU 2023133420 A RU2023133420 A RU 2023133420A RU 2023133420 A RU2023133420 A RU 2023133420A RU 2819471 C1 RU2819471 C1 RU 2819471C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
compressor
internal combustion
combustion engine
receiver
ice
Prior art date
Application number
RU2023133420A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Михайлович АБАКУМОВ
Андрей Александрович Зеленцов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "КРИОГАЗ МОТОРНОЕ ТОПЛИВО"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "КРИОГАЗ МОТОРНОЕ ТОПЛИВО" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "КРИОГАЗ МОТОРНОЕ ТОПЛИВО"
Application granted granted Critical
Publication of RU2819471C1 publication Critical patent/RU2819471C1/en

Links

Abstract

FIELD: engines.
SUBSTANCE: invention can be used in internal combustion engines. Internal combustion engine (ICE) supercharging system includes supercharging unit, ICE intake receiver (14), ICE (15) and ICE exhaust receiver (16). Supercharging unit used is free-piston gas generator (FPGG) (1). FPGG (1) includes cylinder (4) with direct-flow slot blowing. Cylinder (4) has outlet and blowing inlet openings (12) and (11). In cylinder (4) two oppositely moving pistons (6), which are connected to pistons (7) of compressor, arranged in cylinders of compressor with buffer and compressor cavities (5) and (2). Receiver (3) of FPGG (1) is arranged in central part of FPGG and is connected to compressor cavities (2) through outlet valves (9) of compressor cavity. Receiver (3) of FPGG (1) is also connected to inlet receiver (14) of ICE through outlet valve (10) of receiver (3) and intercooler (13) of supercharging air. Incoming air flow enters compressor cavities (2) of cylinders (4) of FPGG (1) compressor through inlet valves (8) of the compressor cavity. Combustion products from cylinder (4) of FPGG (1) are discharged into environment through outlet openings (12) and from ICE cylinders (15) through outlet receiver (16) of ICE. Disclosed is a version of the internal combustion engine supercharging system.
EFFECT: providing high degrees of supercharging in the entire range of operating modes of the internal combustion engine at acceptable loads on the parts of the cylinder-piston group and the possibility of implementing the afterburner mode by thrust or power in any operating modes, as well as in providing stable engine starts without use of additional heating of charge at inlet.
6 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, способам создания высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания, свободнопорншевым двигателям, свободнопоршневым генераторам газа.The invention relates to internal combustion engines, methods for creating highly accelerated internal combustion engines, free-piston engines, free-piston gas generators.

Предполагаемая область применения изобретения - судовые двигатели (причальные и рулевые режимы), специальные двигатели, сочетающие высокую литровую мощность, режим форсажа и экономичность во всем диапазоне рабочих режимов.The intended scope of application of the invention is marine engines (mooring and steering modes), special engines that combine high liter power, afterburner mode and efficiency over the entire range of operating modes.

Задача увеличения мощности поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) решается двумя методами: увеличением рабочего объема цилиндров или увеличением подаваемого в камеру сгорания объема топливовоздушной смеси. В современных условиях ужесточения экологических требований к ДВС, метод увеличения рабочего объема цилиндров практически не используется. Перспективным направлением развития двигателестроения является создание форсированных ДВС, в которых увеличение мощности достигается реализацией технических решений для принудительного увеличения подаваемого в цилиндры количества воздуха или топливовоздушной смеси.The problem of increasing the power of piston internal combustion engines (ICEs) is solved by two methods: increasing the working volume of the cylinders or increasing the volume of the air-fuel mixture supplied to the combustion chamber. In modern conditions of tightening environmental requirements for internal combustion engines, the method of increasing the working volume of cylinders is practically not used. A promising direction in the development of engine building is the creation of forced internal combustion engines, in which an increase in power is achieved by implementing technical solutions for a forced increase in the amount of air or air-fuel mixture supplied to the cylinders.

В известных схемах газотурбинного наддува ДВС количество подаваемой в цилиндр топливовоздушной смеси увеличивается за счет предварительного сжатия воздуха в компрессоре с приводом от коленчатого вала двигателя (механический компрессор), от электродвигателя (электрический компрессор), или от колеса турбины на одном валу с колесом компрессора, приводимом, в свою очередь, от выхлопных газов поршневого двигателя (турбокомпрессоры с газовой связью) [«Двигатели внутреннего сгорания» Т. IV-14 / Л.В. Грехов, Н.А. Иващенко, В.А. Марков и др.; под общ. ред. А.А. Александрова и Н.А. Иващенко, 2013 г. ]. Основные проблемы подобных схем заключаются в отсутствии тяги на режимах малой нагрузки вследствие недостатка газа для раскрутки колеса турбины («турбояма»), а также существенный рост максимальных давлений цикла в цилиндре [В.В. Махалдиани «Двигатели внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия»].In known schemes of gas turbine supercharging of internal combustion engines, the amount of air-fuel mixture supplied to the cylinder is increased due to preliminary compression of air in a compressor driven by the engine crankshaft (mechanical compressor), by an electric motor (electric compressor), or by a turbine wheel on the same shaft as the compressor wheel driven , in turn, from the exhaust gases of a piston engine (gas-coupled turbochargers) [“Internal combustion engines” T. IV-14 / L.V. Grekhov, N.A. Ivashchenko, V.A. Markov and others; under general ed. A.A. Alexandrov and N.A. Ivashchenko, 2013]. The main problems of such schemes are the lack of thrust in low-load modes due to a lack of gas to spin the turbine wheel (“turbojam”), as well as a significant increase in the maximum cycle pressures in the cylinder [V.V. Makhaldiani “Internal combustion engines with variable compression ratio”].

Известны схемы регистрового наддува, подразумевающие последовательную установку не менее двух турбокомпрессоров с возможностью отключения одного или нескольких агрегатов наддува [RU 194589 U1]. Такие схемы обеспечивают лучшую топливную экономичность при некотором ухудшении разгонной динамики, однако требуют установку высококачественных турбокомпрессоров с малой инерционностью и характеризуются высокой стоимостью.Registered supercharging schemes are known that imply the sequential installation of at least two turbochargers with the ability to turn off one or more supercharging units [RU 194589 U1]. Such schemes provide better fuel efficiency with some deterioration in acceleration dynamics, but require the installation of high-quality turbochargers with low inertia and are characterized by high cost.

Известны комбинированные двигатели внутреннего сгорания с системой наддува «ГИПЕРБАР» (HYPERBAR) [Н.Н. Патрахальцев, А.А. Савастенко «Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом», 2007 г.; US 2008/008 3328 А1]. В этом случае к газовой турбине помимо выпускных газов от ДВС воздух подводится напрямую от компрессора. Подогрев воздуха на входе в турбину осуществляется как от выхлопных газов ДВС, так и за счет сжигания части топлива в дополнительной камере сгорания, устанавливаемой перед турбиной. Подобная схема характеризуется высокими значениями давления наддува, что позволяет обеспечить высокие средние эффективные давления при существенно сниженной геометрической степени сжатия в ДВС. Обеспечивается также хорошая приемистость двигателя за счет поддержания высоких давлений наддува на режимах малых нагрузок. Основными недостатками схемы «ГИПЕРБАР» (HYPERBAR) являются повышенный расход топлива на режимах малых нагрузок вследствие низкой степени сжатия дизеля и необходимости поддерживать постоянный процесс горения топлива в дополнительной камере сгорания, а также необходимость подогрева впускного воздуха при пуске холодного двигателя.Combined internal combustion engines with a HYPERBAR supercharging system are known [N.N. Patrahaltsev, A.A. Savastenko “Boosting of internal combustion engines by supercharging”, 2007; US 2008/008 3328 A1]. In this case, in addition to the exhaust gases from the internal combustion engine, air is supplied to the gas turbine directly from the compressor. The air at the turbine inlet is heated both from the exhaust gases of the internal combustion engine and by burning part of the fuel in an additional combustion chamber installed in front of the turbine. Such a scheme is characterized by high values of boost pressure, which makes it possible to provide high average effective pressures with a significantly reduced geometric compression ratio in the internal combustion engine. Good engine response is also ensured by maintaining high boost pressures at low load conditions. The main disadvantages of the “HYPERBAR” scheme are increased fuel consumption at low loads due to the low compression ratio of the diesel engine and the need to maintain a constant fuel combustion process in the additional combustion chamber, as well as the need to heat the intake air when starting a cold engine.

Техническая проблема заключается в обеспечении высокой эффективности комбинированной силовой установки, а также повышении тяги на низких оборотах (ее недостаток характерен для традиционных поршневых ДВС с газотурбинным наддувом), при ограниченном росте или даже снижении нагрузок на детали цилиндропоршневой группы ДВС без увеличения расхода топлива на режимах малых нагрузок, а также устойчивых пусках двигателя без использования дополнительного подогрева заряда на впуске.The technical problem is to ensure high efficiency of the combined power plant, as well as to increase thrust at low speeds (its lack is typical for traditional piston internal combustion engines with gas turbine supercharging), with a limited increase or even a decrease in loads on the parts of the cylinder-piston group of the internal combustion engine without increasing fuel consumption at low speeds loads, as well as stable engine starts without the use of additional heating of the inlet charge.

Авторы предлагают решить эту проблему, используя в качестве агрегата наддува свободнопоршневой генератор газа.The authors propose to solve this problem by using a free-piston gas generator as a supercharging unit.

Известны различные конструкции свободнопоршневых двигателей (СПД) и свободнопоршневых генераторов газа (СПГГ) [RU 2800197 С1; «Свободнопоршневые генераторы газа для газотурбинных установок», авторы: Кошкин В.Г., Майзель Л.М., Черномордик Б.М., 1963 г.]. В СПД и СПГГ поршни не имеют жесткой связи с картером двигателя и перемещаются в цилиндрах свободно под совокупным воздействием газовых сил в цилиндре и буфере, а также сил инерции и трения. Классические СПД и СПГГ предполагают совершение полезной работы на объемную расширительную машину, в качестве которой выступает турбина или поршневая машина. Various designs of free-piston engines (SPD) and free-piston gas generators (SPGG) are known [RU 2800197 C1; “Free-piston gas generators for gas turbine units”, authors: Koshkin V.G., Maizel L.M., Chernomordik B.M., 1963]. In SPD and SPGG, the pistons do not have a rigid connection with the engine crankcase and move freely in the cylinders under the combined influence of gas forces in the cylinder and buffer, as well as inertia and friction forces. Classical SPD and SPGG involve performing useful work on a volumetric expansion machine, which is a turbine or a piston machine.

Из известных агрегатов системы наддува ДВС наиболее близким по технической сущности и по достигаемому результату является механизм, описанный в RU 2324058 С1, выбранный авторами в качестве прототипа. Известная система наддува содержит впускной канал, турбокомпрессор, впускной коллектор, двигатель внутреннего сгорания, выпускной коллектор, соединительный канал, глушитель, выпускной канал, при этом выпускной канал скреплен с наиболее узкой проточной частью воздушного диффузора. Такая схема предполагает обеспечение высокой удельной мощности ДВС за счет дополнительного разрежения на выходе из турбины, однако ее недостатком является отсутствие тяги на режимах низкой нагрузки и существенный рост максимального давления сгорания при реализации цикла с высокими степенями повышения давления в турбокомпрессоре.Of the known units of the internal combustion engine supercharging system, the closest in technical essence and in terms of the achieved result is the mechanism described in RU 2324058 C1, chosen by the authors as a prototype. The known supercharging system contains an intake duct, a turbocharger, an intake manifold, an internal combustion engine, an exhaust manifold, a connecting channel, a muffler, an exhaust duct, wherein the exhaust duct is connected to the narrowest flow part of the air diffuser. This scheme involves providing high specific power of the internal combustion engine due to additional vacuum at the turbine outlet, but its disadvantage is the lack of thrust in low load modes and a significant increase in the maximum combustion pressure when implementing a cycle with high degrees of pressure increase in the turbocharger.

Задачей предлагаемого изобретения является замещение турбокомпрессора модернизированным вариантом классического (СПГГ) с компрессорными и буферными полостями, скомпонованными в общем корпусе, с целью использования его в качестве агрегата наддува или одной из ступеней наддува традиционного поршневого двигателя. При модернизации классического варианта (СПГГ) увеличивают объем ресивера и обеспечивают отвод воздуха из ресивера или компрессорных полостей СПГГ на вход в ДВС. Объем ресивера СПГГ должен увеличиваться на 3-5 рабочих объемов ДВС, в зависимости от типа ДВСThe objective of the present invention is to replace a turbocharger with a modernized version of the classic one (SPGG) with compressor and buffer cavities arranged in a common housing, with the aim of using it as a supercharging unit or one of the supercharging stages of a traditional piston engine. When upgrading the classic version (SGPG), the volume of the receiver is increased and air is removed from the receiver or compressor cavities of the SGPG to the entrance to the internal combustion engine. The volume of the SGNG receiver should increase by 3-5 working volumes of the internal combustion engine, depending on the type of internal combustion engine

Аналогично механизму, описанному в RU 2 324 058 С1, предлагаемая система обеспечивает повышение давления наддувочного воздуха на входе в ДВС, тем самым увеличивая наполнение цилиндров и эффективность рабочего процесса двигателя.Similar to the mechanism described in RU 2 324 058 C1, the proposed system increases the charge air pressure at the inlet to the internal combustion engine, thereby increasing the filling of the cylinders and the efficiency of the engine operating process.

В отличие от механизма, описанного в RU 2 324 058 С1, предлагаемая конструкция агрегата наддува обладает преимуществом с точки зрения обеспечения более высоких степеней повышения давления на входе в двигатель и возможности осуществления цикла, аналогичного ДВС с системой наддува «ГИПЕРБАР» (HYPERBAR) с высокими средними эффективными давлениями при ограниченных максимальных давлениях цикла. In contrast to the mechanism described in RU 2 324 058 C1, the proposed design of the supercharging unit has the advantage of providing higher degrees of pressure increase at the engine inlet and the possibility of implementing a cycle similar to an internal combustion engine with a HYPERBAR supercharging system with high average effective pressures at limited maximum cycle pressures.

В сравнении с известной системой наддува «ГИПЕРБАР» (HYPERBAR), характеризующейся раздельными агрегатом наддува, ресивером на впуске в двигатель и системой перепуска части газов со впуска на выпуск двигателя, а также дополнительной камерой сгорания, предлагаемое устройство объединяет все необходимые конструктивные элементы (компрессорные полости, камера сгорания, ресивер большого объема) в едином корпусе, что облегчает монтаж и обслуживание систем силовой установки. Перепуск газа со впуска на выпуск двигателя внутреннего сгорания для обеспечения работоспособности предлагаемой системы наддува не требуется. In comparison with the well-known HYPERBAR supercharging system, characterized by a separate supercharging unit, a receiver at the engine inlet and a system for bypassing part of the gases from the engine inlet to the engine exhaust, as well as an additional combustion chamber, the proposed device combines all the necessary structural elements (compressor cavities , combustion chamber, large-volume receiver) in a single housing, which facilitates installation and maintenance of power plant systems. Gas transfer from the intake to the exhaust of an internal combustion engine is not required to ensure the functionality of the proposed supercharging system.

В отличие от известной системы наддува «ГИПЕРБАР» (HYPERBAR), имеющей проблемы с пуском холодного двигателя, решающиеся за счетподогрева впускного воздуха, предлагаемая система наддува на базе СПГГ обеспечивает устойчивые пуски за счет высоких температур на входе в двигатель без дополнительного подогрева заряда. Также в предлагаемом изобретении основное внимание уделено совместной работе СПГГ с классическим поршневым двигателем внутреннего сгорания.Unlike the well-known HYPERBAR supercharging system, which has problems with starting a cold engine, which are solved by heating the intake air, the proposed LPNG-based supercharging system ensures stable starts due to high temperatures at the engine inlet without additional heating of the charge. Also in the proposed invention, the main attention is paid to the joint operation of the SGNG with a classic piston internal combustion engine.

Техническим результатом является обеспечение высоких степеней наддува и эффективности поршневого ДВС во всем диапазоне режимов его работы при приемлемых нагрузках на детали цилиндропоршневой группы и возможности реализовать режим форсажа по тяге или мощности на любых режимах работы, а также обеспечение устойчивых пусков двигателя без использования дополнительного подогрева заряда на впуске.The technical result is to ensure high degrees of boost and efficiency of the piston internal combustion engine in the entire range of its operating modes with acceptable loads on the parts of the cylinder-piston group and the ability to implement afterburner mode in terms of thrust or power in any operating modes, as well as ensuring stable engine starts without the use of additional charge heating inlet.

Технический результат достигается за счет того, что Системе наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающей агрегат наддува, впускной ресивер 14 ДВС, ДВС 15 и выпускной ресивер 16 ДВС, в качестве агрегата наддува применен свободнопоршневой генератор 1 газа (СПГГ), включающий цилиндр 4 с прямоточной щелевой продувкой, имеющий выпускные 12 и продувочные впускные 11 окна, размещенные в цилиндре 4 оппозитно перемещающиеся два поршня 6, которые связаны с поршнями 7 компрессора, размещенными в цилиндрах компрессора с буферными 5 и компрессорными 2 полостями, а также ресивер 3 СПГГ, размещенный в центральной части СПГГ 1 и соединенный с компрессорными полостями 2 через выпускные клапаны 9 компрессорной полости, причем ресивер 3 СПГГ 1 связан также с впускным ресивером 14 ДВС через выпускной клапан 10 ресивера и промежуточный охладитель 13 наддувочного воздуха, при этом входящий поток воздуха поступает в компрессорные полости цилиндров компрессора СПГГ 1 через впускные клапаны 8 компрессорной полости, тогда как продукты сгорания из цилиндра 4 СПГГ 1 отводятся в окружающую среду через выпускные окна 12 и из цилиндров ДВС 15 через выпускной ресивер 16 ДВС.The technical result is achieved due to the fact that the pressurization system of an internal combustion engine (ICE), including a pressurization unit, intake receiver 14 of the internal combustion engine, ICE 15 and exhaust receiver 16 of the ICE, uses a free-piston gas generator 1 (SPGG) as a pressurization unit, including cylinder 4 with direct-flow slot purge, having outlet 12 and purge inlet 11 windows located in the cylinder 4, opposingly moving two pistons 6, which are connected to the compressor pistons 7, located in the compressor cylinders with buffer 5 and compressor 2 cavities, as well as an SLNG receiver 3 located in the central part of the SPGG 1 and connected to the compressor cavities 2 through the exhaust valves 9 of the compressor cavity, and the receiver 3 of the SPGG 1 is also connected to the inlet receiver 14 of the internal combustion engine through the outlet valve 10 of the receiver and the intercooler 13 of the charge air, while the incoming air flow enters the compressor the cavities of the cylinders of the SGNG compressor 1 through the inlet valves 8 of the compressor cavity, while the combustion products from the cylinder 4 of the SGNG 1 are discharged into the environment through the exhaust windows 12 and from the cylinders of the internal combustion engine 15 through the exhaust receiver 16 of the internal combustion engine.

Дополнительными отличиями предлагаемой Системы наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) является то, что:Additional differences of the proposed Internal Combustion Engine (ICE) Supercharging System are that:

- в качестве второй ступени системы наддува применен силовой компрессор 17, соединенный с коленчатым валом ДВС 15 через механический привод, при этом выход силового компрессора 17 связан с выпускным клапаном 10 ресивера СПГГ 1 и входом промежуточного охладителя 13,- as the second stage of the supercharging system, a power compressor 17 is used, connected to the crankshaft of the internal combustion engine 15 through a mechanical drive, while the output of the power compressor 17 is connected to the exhaust valve 10 of the LNG receiver 1 and the inlet of the intercooler 13,

- в нее введена силовая турбина 18, связанная с коленчатым валом ДВС 15 через механический привод, при этом вход силовой турбины 18 связан с выпускными окнами 12 цилиндра 4 СПГГ 1 и выходом выпускного ресивера16 ДВС, тогда как продукты сгорания отводятся в окружающую среду с выхода силовой турбины 18,- a power turbine 18 is introduced into it, connected to the crankshaft of the internal combustion engine 15 through a mechanical drive, while the input of the power turbine 18 is connected to the exhaust windows 12 of cylinder 4 of the SGNG 1 and the output of the exhaust receiver 16 of the internal combustion engine, while combustion products are discharged into the environment from the output of the power turbines 18,

- в качестве второй ступени системы наддува применены компрессор 17 и турбина 18 на общем валу с газовой связью с ДВС 15, при этом выход компрессора 17 связан с выпускным клапаном 10 ресивера СПГГ 1 и входом промежуточного охладителя 13, вход турбины 18 связан с выпускными окнами 12 цилиндра 4 СПГГ 1 и выходом выпускного ресивера 16 ДВС, тогда как продукты сгорания отводятся в окружающую среду с выхода турбины 18.- as the second stage of the pressurization system, a compressor 17 and a turbine 18 are used on a common shaft with a gas connection with the internal combustion engine 15, while the output of the compressor 17 is connected to the outlet valve 10 of the LPGG receiver 1 and the inlet of the intercooler 13, the inlet of the turbine 18 is connected to the exhaust windows 12 cylinder 4 of the LNG 1 and the outlet of the exhaust receiver 16 of the internal combustion engine, while the combustion products are discharged into the environment from the outlet of the turbine 18.

Технический результат достигается также за счет того, что в Системе наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающей агрегат наддува, ДВС 15, впускной 14 и выпускной 16 ресиверы ДВС, отличающаяся тем, что в качестве агрегата наддува применен свободнопоршневой генератор 1 газа (СПГГ), в качестве второй ступени системы наддува применены компрессор 17 и турбина 18 на общем валу с газовой связью с ДВС 15, при этом СПГГ 1 включает цилиндр 4 с прямоточной щелевой продувкой, имеющий выпускные 12 и продувочные впускные окна 11, размещенные в цилиндре 4 оппозитно перемещающиеся два поршня 6, которые связаны с поршнями 7 компрессора, размещенными в цилиндрах компрессора с буферными 5 и компрессорными 2 полостями, а также ресивер 3 СПГГ 1, размещенный в центральной части СПГГ 1 и соединенный с компрессорными полостями 2 через выпускныеклапаны 9 компрессорной полости, причем выпускные окна 12 цилиндра СПГГ 1 связаны с впускным ресивером ДВС 14 через перепускной клапан 19 и промежуточный охладитель 13 наддувочного воздуха, входящий поток воздуха поступает в компрессорные полости 2 цилиндров компрессора СПГГ и колесо компрессора 17, при этом выход компрессора 17 связан с входом промежуточного охладителя 13, вход турбины 18 связан с выпускными окнами 12 цилиндра СПГГ 1 и выходом выпускного ресивера 16 ДВС, тогда как продукты сгорания отводятся в окружающую среду с выхода турбины 18. Дополнительным отличием второго варианта выполнения Системы наддува является то, чтоThe technical result is also achieved due to the fact that in the supercharging system of an internal combustion engine (ICE), including a supercharging unit, internal combustion engine 15, intake 14 and exhaust 16 receivers of the internal combustion engine, characterized in that a free-piston gas generator 1 (SPGG) is used as a supercharging unit , as the second stage of the pressurization system, a compressor 17 and a turbine 18 are used on a common shaft with a gas connection with the internal combustion engine 15, while the SGNG 1 includes a cylinder 4 with direct-flow slot purge, having exhaust 12 and purge inlet windows 11, located in the cylinder 4, moving in an opposite direction two pistons 6, which are connected to the compressor pistons 7, located in the compressor cylinders with buffer 5 and compressor 2 cavities, as well as a receiver 3 of the SGGG 1, located in the central part of the SGGG 1 and connected to the compressor cavities 2 through the exhaust valves 9 of the compressor cavity, and the exhaust windows 12 of the SGNG cylinder 1 are connected to the intake receiver of the internal combustion engine 14 through the bypass valve 19 and the intercooler 13 of the charge air, the incoming air flow enters the compressor cavities of 2 cylinders of the SGNG compressor and the compressor wheel 17, while the output of the compressor 17 is connected to the inlet of the intercooler 13, the input of the turbine 18 is connected to the exhaust windows 12 of the LNG cylinder 1 and the output of the exhaust receiver 16 of the internal combustion engine, while combustion products are discharged into the environment from the output of the turbine 18. An additional difference of the second embodiment of the Pressurization System is that

- вход охладителя 13 связан также с выпускным клапаном 10 ресивера 3 СПГГ 1.- the cooler inlet 13 is also connected to the outlet valve 10 of the receiver 3 of the SGNG 1.

Сущность изобретения заключается в использовании СПГГ, работа которого характеризуется большим процентом кислорода в выходном газе, как одной из ступеней наддува с ресивером наддувочного воздуха. Изобретение позволяет полностью решать проблемы, возникающие при реализации газотурбинного наддува (отсутствие тяги на режимах низкой нагрузки и существенный рост максимального давления сгорания при реализации цикла с высокими степенями повышения давления в турбокомпрессоре). Наличие ресивера позволяет легко реализовать режим форсажа по тяге или мощности на любых режимах работы. СПГГ является независимым от ДВС агрегатом со всеми необходимыми конструктивными элементами (компрессорные полости, камера сгорания, ресивер большого объема), что облегчает монтаж и обслуживание систем силовой установки. Устойчивые пуски холодного двигателя обеспечиваются высокими температурами воздуха на выходе из СПГГ, в этом случае часть газа предполагается подавать в цилиндры ДВС перепуская мимо охладителя, или при сниженной эффективности работы охладителя (уменьшении обдуваемой площади, снижении расхода охлаждающего воздуха).The essence of the invention lies in the use of SGNG, the operation of which is characterized by a large percentage of oxygen in the outlet gas, as one of the boost stages with a charge air receiver. The invention makes it possible to completely solve the problems that arise during the implementation of gas turbine supercharging (lack of thrust in low load modes and a significant increase in the maximum combustion pressure when implementing a cycle with high degrees of pressure increase in the turbocharger). The presence of a receiver makes it easy to implement the afterburner mode in terms of thrust or power in any operating mode. The LPGG is a unit independent of the internal combustion engine with all the necessary structural elements (compressor cavities, combustion chamber, large-volume receiver), which facilitates the installation and maintenance of power plant systems. Stable starts of a cold engine are ensured by high air temperatures at the outlet of the SGNG; in this case, part of the gas is supposed to be supplied to the internal combustion engine cylinders by bypassing the cooler, or when the efficiency of the cooler is reduced (reduced blown area, reduced cooling air flow).

Сущность изобретения поясняется следующими фигурами.The essence of the invention is illustrated by the following figures.

Фиг. 1 - схема наддува с использованием сжатого воздуха из ресивера 3 СПГГ 1 для подачи на впускной ресивер 16 ДВС через охладитель 13.Fig. 1 - charging diagram using compressed air from receiver 3 of SGNG 1 for supply to the intake receiver 16 of the internal combustion engine through cooler 13.

Где:Where:

1 - СПГГ1 - SPGG

2 - компрессорная полость СПГГ2 - SGPG compressor cavity

3 - ресивер СПГГ3 - SPGG receiver

4 - цилиндр СПГГ4 - SLNG cylinder

5 - буферная полость СПГГ5 - buffer cavity of SPGG

6 - поршень СПГГ6 - SPGG piston

7 - компрессорный поршень СПГГ7 - SGNG compressor piston

8 - впускной клапан компрессорной полости СПГГ8 - inlet valve of the SGNG compressor cavity

9 - выпускной клапан компрессорной полости СПГГ9 - outlet valve of the SGNG compressor cavity

10 - выпускной клапан ресивера СПГГ10 - outlet valve of the SGNG receiver

11 - продувочные окна СПГГ11 - SGNG purging windows

12 - выпускные окна СПГГ12 - SGNG exhaust windows

13 - охладитель13 - cooler

14 - впускной ресивер ДВС 15-ДВС14 - intake receiver ICE 15-ICE

16 - выпускной ресивер ДВС16 - exhaust receiver of internal combustion engine

Фиг. 2 - то же, что и на Фиг. 1, но с подачей сжатого воздуха из ресивера 3 СПГГ во впускной ресивер 14 ДВС после смешения с воздухом из силового компрессора 17, приводимого в движение от коленчатого вала ДВС 15, Где: 17 - силовой компрессорFig. 2 - the same as in Fig. 1, but with the supply of compressed air from the LPNG receiver 3 to the intake receiver 14 of the internal combustion engine after mixing with air from the power compressor 17, driven from the crankshaft of the internal combustion engine 15, Where: 17 - power compressor

Фиг. 3 - то же, что и на Фиг. 1, но с подачей продуктов сгорания из цилиндра 4 СПГГ и выпускного ресивера 14 ДВС на впуск силовой турбины, связаннойс коленчатым валом ДВС 15 через механический привод, с последующим отводом продуктов сгорания в окружающую среду. Fig. 3 - the same as in Fig. 1, but with the supply of combustion products from the cylinder 4 of the LNG and the exhaust receiver 14 of the internal combustion engine to the inlet of the power turbine connected to the crankshaft of the internal combustion engine 15 through a mechanical drive, with subsequent removal of the combustion products into the environment.

Где: 18 - силовая турбинаWhere: 18 - power turbine

Фиг. 4 - то же, что и на Фиг. 1, но с добавлением компрессора 17 и турбины 18 с газовой связью с ДВС 15, с разделением потока воздуха на входе, с подачей сжатого воздуха через выпускной клапан 10 ресивера 3 СПГГ 1 во впускной ресивер 14 ДВС после смешения с воздухом из компрессора 17 и охлаждения в охладителе 13, с подачей продуктов сгорания из цилиндра 4 СПГГ 1 и выпускного ресивера 16 ДВС на впуск колеса турбины 18, с последующим отводом продуктов сгорания в окружающую среду.Fig. 4 - the same as in Fig. 1, but with the addition of a compressor 17 and a turbine 18 with gas connection with the internal combustion engine 15, with separation of the air flow at the inlet, with compressed air supplied through the outlet valve 10 of the receiver 3 of the LNG 1 to the intake receiver 14 of the internal combustion engine after mixing with air from the compressor 17 and cooling in the cooler 13, with the supply of combustion products from the cylinder 4 of the LNG 1 and the exhaust receiver 16 of the internal combustion engine to the inlet of the turbine wheel 18, with the subsequent removal of the combustion products into the environment.

Фиг. 5 - схема наддува с включением в схему также компрессора 17 и турбины 18 с газовой связью с ДВС 15 и перепускного клапана 19. В данной схеме предусмотрено разделение потока воздуха на входе между СПГГ 1 и колесом компрессора 17, при этом не предусмотрен отвод части сжатого воздуха из ресивера 3 СПГГ 1. Во впускной ресивер 14 ДВС в этом случае подается сжатый воздух из колеса компрессора 17 с частичным подмешиванием продуктов сгорания из цилиндра 4 СПГГ 1 через перепускной клапан 19, далее газ после охлаждения в охладителе 13 подается во впускной ресивер ДВС 14. Основная доля продуктов сгорания из цилиндра 4 СПГГ 1 и выпускного ресивера ДВС 16 подается на впуск колеса турбины 18, с последующим отводом продуктов сгорания в окружающую среду. Где: 19 - перепускной клапанFig. 5 is a supercharging diagram that also includes a compressor 17 and a turbine 18 with a gas connection with the internal combustion engine 15 and a bypass valve 19. This diagram provides for the division of the air flow at the inlet between the SGNG 1 and the compressor wheel 17, while no provision is made for the removal of part of the compressed air from the receiver 3 of the SGNG 1. In this case, compressed air is supplied to the intake receiver 14 of the internal combustion engine from the compressor wheel 17 with partial mixing of combustion products from the cylinder 4 of the SGNG 1 through the bypass valve 19, then the gas, after cooling in the cooler 13, is supplied to the intake receiver of the internal combustion engine 14. The main share of combustion products from cylinder 4 of the LNG 1 and the exhaust receiver of the internal combustion engine 16 is supplied to the inlet of the turbine wheel 18, with the subsequent discharge of combustion products into the environment. Where: 19 - bypass valve

Фиг. 6 - то же самое, что на фиг.5, но с отводом части сжатого воздуха из ресивера СПГГ 3, который после смешения со сжатым воздухом из колеса компрессора 17, с частичным подмешиванием продуктов сгорания из цилиндра СПГГ 4 через перепускной клапан 19, через охладитель 13 попадает во впускной ресивер 14 ДВС. Основная доля продуктов сгорания из цилиндра4 СПГГ 1 и выпускного ресивера 16 ДВС подается на впуск колеса турбины 18, с последующим отводом в окружающую среду.Fig. 6 - the same as in Fig. 5, but with the removal of part of the compressed air from the SGNG receiver 3, which, after mixing with compressed air from the compressor wheel 17, with partial mixing of combustion products from the SLNG cylinder 4 through the bypass valve 19, through the cooler 13 enters the intake receiver 14 of the internal combustion engine. The main share of combustion products from the cylinder 4 of the LNG 1 and the exhaust receiver 16 of the internal combustion engine is supplied to the inlet of the turbine wheel 18, with subsequent discharge into the environment.

Предлагаемые схемы (фиг. 1-фиг. 6) систем наддува используются в зависимости от типа ДВС.The proposed schemes (Fig. 1-Fig. 6) of pressurization systems are used depending on the type of internal combustion engine.

Способ применения СПГГ в качестве агрегата наддува, заключается в том, что СПГГ 1 интегрируется в системы впуска и выпуска поршневого ДВС 15, в качестве агрегата наддува или одной из его ступеней. В качестве второй ступени системы наддува может использоваться компрессор 17. Воздух из СПГГ 1 (или смесь воздуха и продуктов сгорания, характеризующихся большим процентом кислорода в выходном газе) полностью или частично через перепускной клапан 19, а далее через охладитель 13 подается напрямую или после смешения с воздухом из компрессора 17 ДВС 15 во впускной ресивер ДВС 14. При пусках силовой установки вначале осуществляется пуск СПГГ 1 при помощи устройства пневматического пуска, подающего воздух под давлением в буферные полости 5. Далее нагретый воздух из ресивера СПГГ 3 напрямую или после смешения с выходным воздухом из камеры сгорания в цилиндре СПГГ 4 подается во впускной ресивер ДВС 14, минуя охладитель 13 или при сниженной эффективности работы охладителя 13. После осуществления пуска ДВС 15, воздух на впуск в ДВС 15 должен подаваться через охладитель 13. Продукты сгорания из ДВС 15 через выпускной ресивер 16 подаются на колесо турбины 18 или отводятся в окружающую среду.The method of using SLNG as a supercharging unit is that SLNG 1 is integrated into the intake and exhaust systems of the piston internal combustion engine 15, as a supercharging unit or one of its stages. Compressor 17 can be used as the second stage of the pressurization system. Air from SGNG 1 (or a mixture of air and combustion products characterized by a large percentage of oxygen in the outlet gas) is fully or partially through the bypass valve 19, and then through the cooler 13 is supplied directly or after mixing with air from the compressor 17 of the internal combustion engine 15 into the intake receiver of the internal combustion engine 14. When starting the power plant, the SPGG 1 is first started using a pneumatic starting device that supplies air under pressure into the buffer cavities 5. Next, heated air from the SPGG receiver 3 directly or after mixing with the outlet air from the combustion chamber in the cylinder SGNG 4 is supplied to the intake receiver of the internal combustion engine 14, bypassing the cooler 13 or when the efficiency of the cooler 13 is reduced. After the start of the internal combustion engine 15, air to the intake of the internal combustion engine 15 must be supplied through the cooler 13. Combustion products from the internal combustion engine 15 through the exhaust receiver 16 is supplied to the turbine wheel 18 or discharged into the environment.

Claims (6)

1. Система наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающая агрегат наддува, впускной ресивер (14) ДВС, ДВС (15) и выпускной ресивер (16) ДВС, отличающаяся тем, что в качестве агрегата наддува применен свободнопоршневой генератор (1) газа (СПГГ), включающий цилиндр (4) с прямоточной щелевой продувкой, имеющий выпускные (12) и продувочные впускные (11) окна, размещенные в цилиндре (4) оппозитно перемещающиеся два поршня (6), которые связаны с поршнями (7) компрессора, размещенными в цилиндрах компрессора с буферными (5) и компрессорными (2) полостями, а также ресивер (3) СПГГ, размещенный в центральной части СПГГ (1) и соединенный с компрессорными полостями (2) через выпускные клапаны (9) компрессорной полости, причем ресивер (3) СПГГ (1) связан также с впускным ресивером (14) ДВС через выпускной клапан (10) ресивера и промежуточный охладитель (13) наддувочного воздуха, при этом входящий поток воздуха поступает в компрессорные полости цилиндров компрессора СПГГ (1) через впускные клапаны (8) компрессорной полости, тогда как продукты сгорания из цилиндра (4) СПГГ (1) отводятся в окружающую среду через выпускные окна (12) и из цилиндров ДВС (15) через выпускной ресивер (16) ДВС.1. A supercharging system for an internal combustion engine (ICE), including a supercharging unit, an internal combustion engine inlet receiver (14), an internal combustion engine (15) and an internal combustion engine exhaust receiver (16), characterized in that a free-piston gas generator (1) is used as a supercharging unit ( SPGG), including a cylinder (4) with direct-flow slot purge, having outlet (12) and purge inlet (11) windows located in the cylinder (4); oppositely moving two pistons (6), which are connected to the pistons (7) of the compressor, located in the compressor cylinders with buffer (5) and compressor (2) cavities, as well as a receiver (3) of the SGNG, located in the central part of the SGNG (1) and connected to the compressor cavities (2) through the exhaust valves (9) of the compressor cavity, and the receiver (3) SGNG (1) is also connected to the intake receiver (14) of the internal combustion engine through the outlet valve (10) of the receiver and the intercooler (13) of charge air, while the incoming air flow enters the compressor cavities of the cylinders of the SGNG compressor (1) through the intake valves (8) of the compressor cavity, while the combustion products from the cylinder (4) of the SGNG (1) are discharged into the environment through the exhaust windows (12) and from the internal combustion engine cylinders (15) through the exhaust receiver (16) of the internal combustion engine. 2. Система наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по п.1, отличающаяся тем, что в качестве второй ступени системы наддува применен силовой компрессор (17), соединенный с коленчатым валом ДВС (15) через механический привод, при этом выход силового компрессора (17) связан с выпускным клапаном (10) ресивера СПГГ (1) и входом промежуточного охладителя (13). 2. The internal combustion engine (ICE) supercharging system according to claim 1, characterized in that a power compressor (17) is used as the second stage of the supercharging system, connected to the ICE crankshaft (15) through a mechanical drive, with the output of the power compressor ( 17) is connected to the outlet valve (10) of the SGNG receiver (1) and the inlet of the intercooler (13). 3. Система наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по п.1, отличающаяся тем, что в нее введена силовая турбина (18), связанная с коленчатым валом ДВС (15) через механический привод, при этом вход силовой турбины (18) связан с выпускными окнами (12) цилиндра (4) СПГГ (1) и выходом выпускного ресивера (16) ДВС, тогда как продукты сгорания отводятся в окружающую среду с выхода силовой турбины (18). 3. The internal combustion engine (ICE) supercharging system according to claim 1, characterized in that a power turbine (18) is introduced into it, connected to the ICE crankshaft (15) through a mechanical drive, while the input of the power turbine (18) is connected to exhaust windows (12) of the cylinder (4) of the LNG gas (1) and the outlet of the exhaust receiver (16) of the internal combustion engine, while combustion products are discharged into the environment from the outlet of the power turbine (18). 4. Система наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по п.1, отличающаяся тем, что в качестве второй ступени системы наддува применены компрессор (17) и турбина (18) на общем валу с газовой связью с ДВС (15), при этом выход компрессора (17) связан с выпускным клапаном (10) ресивера СПГГ (1) и входом промежуточного охладителя (13), вход турбины (18) связан с выпускными окнами (12) цилиндра (4) СПГГ (1) и выходом выпускного ресивера (16) ДВС, тогда как продукты сгорания отводятся в окружающую среду с выхода турбины (18).4. The supercharging system of an internal combustion engine (ICE) according to claim 1, characterized in that a compressor (17) and a turbine (18) on a common shaft with a gas connection with the ICE (15) are used as the second stage of the supercharging system, while the output compressor (17) is connected to the exhaust valve (10) of the LPGG receiver (1) and the inlet of the intercooler (13), the turbine inlet (18) is connected to the exhaust windows (12) of the cylinder (4) of the LPGG (1) and the outlet of the exhaust receiver (16 ) internal combustion engine, while combustion products are discharged into the environment from the turbine outlet (18). 5. Система наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающая агрегат наддува, ДВС (15), впускной (14) и выпускной (16) ресиверы ДВС,  отличающаяся тем, что в качестве агрегата наддува применен свободнопоршневой генератор (1) газа (СПГГ), в качестве второй ступени системы наддува применены компрессор (17) и турбина (18) на общем валу с газовой связью с ДВС (15), при этом СПГГ (1) включает цилиндр (4) с прямоточной щелевой продувкой, имеющий выпускные (12) и продувочные впускные окна (11), размещенные в цилиндре (4) оппозитно перемещающиеся два поршня (6), которые связаны с поршнями (7) компрессора, размещенными в цилиндрах компрессора с буферными (5) и компрессорными (2) полостями, а также ресивер (3) СПГГ (1), размещенный в центральной части СПГГ (1) и соединенный с компрессорными полостями (2) через выпускные клапаны (9) компрессорной полости, причем выпускные окна (12) цилиндра СПГГ (1) связаны с впускным ресивером (14) ДВС через перепускной клапан (19) и промежуточный охладитель (13) наддувочного воздуха, входящий поток воздуха поступает в компрессорные полости (2) цилиндров компрессора СПГГ и колесо компрессора (17), при этом выход компрессора (17) связан с входом промежуточного охладителя (13), вход турбины (18) связан с выпускными окнами (12) цилиндра СПГГ (1) и выходом выпускного ресивера (16) ДВС, тогда как продукты сгорания отводятся в окружающую среду с выхода турбины (18). 5. The supercharging system of an internal combustion engine (ICE), including a supercharging unit, internal combustion engine (15), intake (14) and exhaust (16) receivers of the internal combustion engine, characterized in that a free-piston gas generator (1) is used as a supercharging unit (SPGG) , as the second stage of the pressurization system, a compressor (17) and a turbine (18) are used on a common shaft with gas connection with the internal combustion engine (15), while the SGNG (1) includes a cylinder (4) with direct-flow slot blowing, having exhaust (12) and purge inlet ports (11) located in the cylinder (4); oppositely moving two pistons (6), which are connected to the compressor pistons (7), located in the compressor cylinders with buffer (5) and compressor (2) cavities, as well as a receiver (3) SGNG (1), located in the central part of the SGNG (1) and connected to the compressor cavities (2) through the exhaust valves (9) of the compressor cavity, and the outlet windows (12) of the SLNG cylinder (1) are connected to the inlet receiver (14 ) ICE through the bypass valve (19) and the intercooler (13) of the charge air, the incoming air flow enters the compressor cavities (2) of the LPNG compressor cylinders and the compressor wheel (17), while the compressor output (17) is connected to the intercooler inlet ( 13), the turbine inlet (18) is connected to the outlet windows (12) of the LNG cylinder (1) and the outlet of the exhaust receiver (16) of the internal combustion engine, while combustion products are discharged into the environment from the outlet of the turbine (18). 6. Система наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по п.5, отличающаяся тем, что вход охладителя (13) связан также с выпускным клапаном (10) ресивера СПГГ (1).6. The internal combustion engine (ICE) supercharging system according to claim 5, characterized in that the cooler inlet (13) is also connected to the exhaust valve (10) of the SGNG receiver (1).
RU2023133420A 2023-12-15 Supercharging system of internal combustion engine (ice) using free piston gas generator (fpgg) RU2819471C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2819471C1 true RU2819471C1 (en) 2024-05-21

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB804124A (en) * 1955-08-22 1958-11-05 Bbc Brown Boveri & Cie Improvements in or relating to internal combustion engines
RU2214525C2 (en) * 2000-04-18 2003-10-20 Константин Евгеньевич Стародетко Method of operation of power plant with piston internal combustion engine (versions) and power plant for implementing the method
DE102007035914A1 (en) * 2007-07-23 2009-01-29 Umc Universal Motor Corporation Gmbh Free piston device and method for controlling and / or regulating a free piston device
RU2594836C2 (en) * 2014-04-01 2016-08-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Turbocharging system of internal combustion engine with two degrees of controlled supercharging
RU2800197C1 (en) * 2023-06-01 2023-07-19 Общество с ограниченной ответственностью "КРИОГАЗ МОТОРНОЕ ТОПЛИВО" Free-piston gas generator and method of its operation in thermodynamic combustion cycle mode using homogeneous fuel-air mix with compression ignition

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB804124A (en) * 1955-08-22 1958-11-05 Bbc Brown Boveri & Cie Improvements in or relating to internal combustion engines
RU2214525C2 (en) * 2000-04-18 2003-10-20 Константин Евгеньевич Стародетко Method of operation of power plant with piston internal combustion engine (versions) and power plant for implementing the method
DE102007035914A1 (en) * 2007-07-23 2009-01-29 Umc Universal Motor Corporation Gmbh Free piston device and method for controlling and / or regulating a free piston device
RU2594836C2 (en) * 2014-04-01 2016-08-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Turbocharging system of internal combustion engine with two degrees of controlled supercharging
RU2800197C1 (en) * 2023-06-01 2023-07-19 Общество с ограниченной ответственностью "КРИОГАЗ МОТОРНОЕ ТОПЛИВО" Free-piston gas generator and method of its operation in thermodynamic combustion cycle mode using homogeneous fuel-air mix with compression ignition

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8539770B2 (en) Exhaust arrangement for an internal combustion engine
US7753036B2 (en) Compound cycle rotary engine
US4344289A (en) Two-stage supercharging apparatus
US5937651A (en) Internal combustion engine with exhaust gas turbocharger
US6460337B1 (en) Combustion engine
US7287379B2 (en) Turbo compressor system for internal combustion engine comprising two serially placed turbo units with their rotation axes essentially concentric
US20060219227A1 (en) Toroidal intersecting vane supercharger
US9074526B2 (en) Split cycle engine and method with increased power density
US8752377B2 (en) Device for cooling charge air
US9435295B2 (en) Method for operating a volume-controlled internal-combustion engine, and an internal-combustion engine
US20060101819A1 (en) Method and system for influencing the quantity of exhaust gas recirculated in a pressure charged internal combustion engine
US9206752B2 (en) Air handling system for an opposed-piston engine in which a supercharger provides boost during engine startup and drives EGR during normal engine operation
JPS61164039A (en) Multistage turbo supercharged engine
US9062632B2 (en) Internal combustion engine for a motor vehicle
US6381960B1 (en) Turbocharger housing with exhaust gas recycling
JP2000500544A (en) Supercharged air system for a four-stroke internal combustion engine
US11268435B2 (en) Structural arrangement in a low-temperature turbocompressor for an internal combustion engine
JP2004068816A (en) Supercharging type internal combustion engine
US6158217A (en) Low operating-temperature supercharged engines
US20150082789A1 (en) Two-stage turbocharger system
US6434939B1 (en) Rotary piston charger
RU2819471C1 (en) Supercharging system of internal combustion engine (ice) using free piston gas generator (fpgg)
SU1487822A3 (en) Gas-generator unit
KR19990000545A (en) Internal combustion engine supercharger
GB2125892A (en) Turbo-supercharging and resonance charging an I.C. engine