Турбонаддувный двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания с турбонаддувом. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит впускные и выпускные коллекторы, по меньшей мере, одну пару турбокомпрессоров и глушитель. Согласно изобретению, турбокомпрессоры соосно расположены турбинными сторонами друг к другу с возможностью противоположного вращения рабочих колес турбин и настроены на режим максимального крутящего момента двигателя, а выходы газов из турбин взаимно соединены трубопроводом, причем в середине трубопровода образован кольцевой зазор для истечения газов в глушитель. При работе двигателя на режимах, близких к номинальному, вследствие такого расположения турбин уменьшается работа, производимая на турбинах, и, соответственно, уменьшается производительность компрессоров. Это позволяет предотвратить падение мощности двигателя из-за перегрузок в цилиндропоршневой группе. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности турбонаддувным двигателям внутреннего сгорания автотракторного назначения.

Известен турбонаддувный двигатель внутреннего сгорания [1, 2], состоящий из двигателя внутреннего сгорания, турбокомпрессоров, впускного и выпускного коллекторов. В отличие от турбонаддувных двигателей внутреннего сгорания, работающих в одном заданном режиме (судовых двигателей, двигателей для электроустановок, где настройку турбокомпрессоров производят на этот режим), для турбонаддувных двигателей внутреннего сгорания автотракторного назначения, работающих в широком диапазоне рабочих режимов, настройку расходных характеристик турбокомпрессоров производят на максимальный расход, т.е. на режим номинальной мощности. В случае, если настройку турбокомпрессоров произвести на частичный режим или на режим максимального крутящего момента, то при работе двигателя на режиме номинальной мощности увеличенный расход газов не успевает истекать через проходные сечения турбин, что приводит к повышению давления в газовоздушном тракте, увеличению нагрузок на цилиндропоршневую группу и падению мощности двигателя.

Следовательно, при работе турбонаддувного двигателя внутреннего сгорания, в котором настройка турбокомпрессоров произведена на режим номинальной мощности, из-за недостаточного воздухообеспечения на частичных режимах увеличивается удельный эффективный расход топлива, повышаются токсичность выбросов и дымление, а режим максимального крутящего момента смещается в сторону высоких частот вращения коленчатого вала, что ухудшает эксплуатационные характеристики двигателя. Таким образом, видна недостаточная эффективность применения турбонаддува.

Целью изобретения является повышение эффективности турбонаддува.

Сущность изобретения заключается в следующем. Турбонаддувный двигатель внутреннего сгорания, содержащий собственно двигатель внутреннего сгорания, впускные и выпускные коллекторы, по меньшей мере, одну пару турбокомпрессоров и глушитель, в котором, согласно изобретению, турбокомпрессоры соосно расположены турбинными сторонами друг к другу с возможностью противоположного вращения рабочих колес турбин и настроены на режим максимального крутящего момента двигателя, выходы газов из турбин взаимно соединены с трубопроводом, причем в середине трубопровода образован кольцевой зазор для истечения газов в глушитель.

При втором варианте исполнения в трубопроводе установлена подвижная втулка с возможностью перекрытая кольцевого зазора.

На фиг.1 представлена схема турбонаддувного двигателя, на фиг.2 - схема взаимодействия двух турбин при работе турбонаддувного двигателя внутреннего сгорания, на фиг.3 - схема установки подвижной втулки.

Турбонаддувный двигатель внутреннего сгорания содержит двигатель внутреннего сгорания 1 (фиг.1), впускные 2 и выпускные 3 коллекторы, турбокомпрессоры 4 и 5 и глушитель 6. Турбокомпрессоры 4 и 5 соосно расположены турбинными сторонами друг к другу с возможностью противоположного вращения рабочих колес 7 и 8 (фиг.2) турбин 9 и 10 и настроены на режим максимального крутящего момента двигателя 1. Выходы газов из турбин 9 и 10 взаимно соединены трубопроводом 11, причем в середине трубопровода 11 образован кольцевой зазор 12 для истечения газов в глушитель 6.

При втором варианте исполнения в трубопроводе 11 установлена подвижная втулка 13 (фиг.3) с возможностью перекрытия кольцевого зазора 12.

Турбонаддувный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

При работе двигателя 1 на частичных режимах и на режиме максимального крутящего момента турбокомпрессоры 4 и 5 обеспечивают двигатель 1 необходимым количеством воздуха, так как настроены на режим максимального крутящего момента. При этом проходные сечения трубопровода 11 и кольцевого зазора 12 позволяют потокам отработавших газов, вытекающих из турбин 9 и 10, не вступая в контакт друг с другом, истекать в глушитель 6.

При работе двигателя 1 на режимах, близких к номинальному, расход газов через турбины 9 и 10 увеличивается, следовательно, высокоскоростные газы, вытекающие из турбин 9 и 10, не успевают истекать через кольцевой зазор 12 и вступают в контакт друг с другом. При этом потоки газов, вытекающие из турбин 9 и 10, давят друг на друга силой F, равной произведению массы потока на ускорение при торможении. Появление силы F на пути следования потока приводит к повышению статической составляющей Р₂ полного давления за турбинами 9 и 10 и согласно уравнению [3] уменьшается адиабатная работа турбины L_ТS. Каждый из потоков из-за вращательного истечения из турбин 9 и 10 обладает некоторым вращательным моментом М_вр. Наличие вращательного момента M_вр на пути следования потока газов, направленного в противоположную сторону вращения потока, приводит к отклонению направления абсолютной скорости с₂ истечения газов из турбин 9 и 10 в обратную сторону вращения рабочих колес 7 и 8, т.е. увеличивается тангенциальная составляющая c_2u абсолютной скорости с₂ и согласно уравнению [3] L_u=u₁c_1u-u₂c_2u уменьшается работа турбины на окружности колеса L_u. Все это в конечном счете приводит к уменьшению производимой работы на турбинах 9 и 10 соответственно производительности компрессоров 14 и 15 (фиг.1). Компрессоры 14 и 15 уже не будут закачивать лишнее количество воздуха в двигатель 1, приводящее к увеличению нагрузок на цилиндропоршневую группу и падению мощности двигателя 1.

При втором варианте исполнения на частичных режимах работы двигателя 1 и на режиме максимального крутящего момента подвижная втулка 13 не перекрывает кольцевой зазор 12, а на номинальном режиме работы двигателя 1 подвижная втулка 13 перекрывает кольцевой зазор 12 с вышеописанным эффектом. Следовательно, при применении изобретения повышается эффективность турбонаддува двигателя внутреннего сгорания.

Источники информации 1. Сироткин З.Л. и др. Автомобили-самосвалы и автомобили-тягачи БелАЗ. М.: Транспорт, 1973, стр.74 и 75.

2. Двигатель КамАЗ 740.11-240. Руководство по эксплуатации 740.11-3902001 РЭ. г. Наб.Челны. ОАО "КамАЗ". 1997, cтp.35.

3. Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет: Учебник для втузов - 3-е изд., перераб. и доп., М.: Машиностроение. 1979, стр.33 и 128.

Формула изобретения

1. Турбонаддувный двигатель внутреннего сгорания, содержащий двигатель внутреннего сгорания, впускные и выпускные коллекторы, по меньшей мере, одну пару турбокомпрессоров и глушитель, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности турбонаддува, турбокомпрессоры соосно расположены турбинными сторонами друг к другу с возможностью противоположного вращения рабочих колес турбин и настроены на режим максимального крутящего момента двигателя, выходы газов из турбин взаимно соединены трубопроводом, причем в середине трубопровода образован кольцевой зазор для истечения газов в глушитель.

2. Турбонаддувный двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что в трубопроводе установлена подвижная втулка с возможностью перекрытия кольцевого зазора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3