CS214744B2 - Facility for high overfilling the combustion motor - Google Patents

Description

Vynález se týká zařízení pro vysoké přeplňování spalovacího motoru s turbodmychadlem na výfukové plyny a strojem, pracujícím s tlakovými vlnami dynamiky plynů, přičemž úbytek tlaku výfukových plynů motoru, rozdělený do dvou stupňů, slouží ke stlačování spalovacího vzduchu ve dvou stupních.

Pro přeplňování spalovacích motorů pro zvýšení efektivního středního tlaku je dnes užíváno téměř výlučně turbodmychadel na výfukové plyny. К tomuto účelu jsou též známé stroje, pracující s tlakovými vlnami dynamiky plynů, které se obzvláště vyznačují rychlou reakcí při změnách zátěže a působí zlepšení elasticity motoru, pročež jich je především užíváno u Dieselových motorů vozidel [ Motortechnische Zeitschrift 31 (1970) 1).

Pro motory s nejvyšším výkonem bylo též již zkoušeno dvoustupňové přeplňování pomocí turbodmychadel na výfukové plyny (švýcarský patentní spis č. 371633), přičemž gradient expandujícího výfukového motoru byl rozdělen mezi vysokotlakovou a nízkotlakovou turbinu. Stejným způsobem bylo prováděno stlačování spalovacího vzduchu v nízkotlakovém a vysokotlakoyém stupni. Toto rozdělení je nutné, pokud už nestačí poměry plnicího tlaku, dosažitelné v jednom stupni turbodmychadla, nebo je rozmezí objemového prosazení kompresoru při požadovaných vysokých tlakových poměrech tak úzké, že už nestačí požadavkům, které jsou kladeny na motor. Při dvoustupňovém přeplňování pracuje každý stupeň při odpovídajícím menším tlakovém poměru s vyšším stupněm účinnosti v širším rozmezí prosazení.

Při užití sériového spojení dvou turbodmychadel na výfukové plyny, pro motor vozidla trpí však velmi schopnost systému motor—turbodmychadlo, týkající se zrychlování, jakož i elasticita motoru. Vzhledem k tomu, že turbodmychadla jsou spřažona s motorem jen prostřednictvím výfukového plynu, sledují změnu zátěže motoru jen s určitým zpožděním, jehož trvání především závisí na setrvačnosti rotoru turbodmychadla, na postupu přeplňování samotném a na probíhaných provozních oblastech. Při dvoustupňovém přeplňování může být sice menší vysokotlakové turbodmychadlo provozováno v rázovém provozu a reaguje proto relativně rychle na změny zátěže. Avšak větší nízkotlakové turbodmychadlo s mnohem větším momentem setrvačnosti, které k tomu ještě pracuje v rovnotlakém provozu, reaguje jen velmi pomalu. Následkem jsou silné nárazy sazí při zrychlování a dlouhé doby reakcí motoru. Pro motory vozidel, u nichž je očekávána rychlá reakce» motoru na změnu zátěže, aby. se motor mohl rychle přizpůsobit provozním situacím. a situacím na vozovce, nelze tento dvoustupňový systém přeplňování vzhledem k jeho značné setrvačnosti použít. Tato. cesta k velmi vysokým středním tlakům je tím uzavřena.

Dvoustupňové přeplňování pouze pomocí strojů, pracujících s tlakovými vlnami, je též nemožné, jelikož u těchto strojů není expansní část nezávislá na části kompresní, neboť vzhledem k přímému styku expandujících a stlačovaných plynů nemohou být tlakové úrovně těchto· plynů voleny libovolně, jelikož jinak stroj už nepracuje v požadovaném smyslu. Tato okolnost vede při dvoustupňovém přeplňování pomocí strojů, pracujících s tlakovými vlnami, především na dolním tlakovém stupni vysokotlakového stroje k obtížím.

Úkolem předkládaného vynálezu je navrhnout zařízení pro vysoké přeplňování spalovacího· motoru, které při dobrém stupni účinnosti vyhovuje požadavku krátké doby reakce a. širokému rozmezí provozních charakteristik přeplňovacího zařízení.

Řešení tohoto úkolu spočívá v kombinaci turbodmychadla na výfukové plyny se strojem, pracujícím s tlakovými vlnami.

Úkol byl vyřešen zařízením pro vysoké přeplňování spalovacího motoru s turbodmýchadlem na výfukové plyny a strojem, pracujícím s tlakovými vlnami dynamiky plynů, přičemž úbytek tlaku výfukových plynů motoru, rozdělený do dvou stupňů, slouží ke stlačování spalovacího vzduchu ve dvou stupních, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že turbodmychadlo na výfukové plyny a stroj, pracující s tlakovými vlnami dynamiky plynů, jsou na straně výfukových plynů a vzduchu spojeny v sérii a každý je umístěn vždy pouze v jednom stupni, přičemž turbodmychadlo na výfukové plyny je umístěno ve vysokotlakovém stupni a stroj, pracující s tlakovými vlnami, je· umístěn v nízkotlakovém stupni.

Další znak vynálezu spočívá v tom, že za turbinou turbodmychadla je ve směru proudění výfukových plynů upraven výměník pro ohřev výfukových plynů.

Jiným· znakem vynálezu je výměník pro ohřev výfukových plynů, vycházejících z turbiny je současně chladičem výfukových plynů, vstupujících' do- turbiny.

U výhodného· provedení zařízení podle vynálezu je mezi strojem, pracujícím s tlakovými vlnami, a kompresorem turbodmychadla na výfukové plyny uspořádán vložený chladič pro· spalovací vzduch.

Zařízení podle vynálezu se dále vyznačuje tím, že vstup chladicího okruhu vloze-, ného chladiče je opatřen regulačním · ventilem pro· regulaci chladicího prostředku.

Konečně se zařízení ' podle vynálezu . vyznačuje ' ’ tím, že- za kompresorem turbodmy chadla na výfukový plyn je uspořádán ve směru proudění chladič plnicího vzduchu.

Taková kombinace, u níž se uplatní příznivé vlastnosti obou strojů, umožňuje dvoustupňové přeplňování, obzvláště pro motor vozidla. To se projeví především tehdy, je-li turbodmychadla na výfukové plyny užito pro· vysokotlakový stupeň a stroje, pracujícího s tlakovými vlnami, pro stupeň nízkotlakový. Nej důležitější výhoda oproti užití dvou turbodmychadel na výfukové plyny spočívá v tom, že člen, vykazující největší setrvačnost tohoto zařízení, totiž relativně velké turbodmychadlo nízkotlakového stupně, pracující v rovnotlakém provozu, je nahrazen strojem, pracujícím s tlakovými vlnami, reagujícím přibližně rychlostí zvuku. Tím může být značně krácena doba reakce motoru při zrychlování a zmírněn náraz sazí. Rovněž se nevyskytují žádné obtíže při výplachu stroje, pracujícího s tlakovými vlnami, jelikož je nutné, aby tento stroj překonával za všech provozních podmínek pouze odpory případně použitých filtrů nebo tlumičů. Mezilehlé chlazení spalovacího vzduchu za nízkotlakovým stupněm ještě zlepšuje stupeň účinnosti přeplňovacího· procesu. Pokud · by mělo být nutné ochlazování vysokotlakových plynů před vstupem do turbodmychadla, může být velká část odváděného tepla opět získávána zpět mezilehlým ohřevem výfukových plynů za vysokotlakovým stupněm a zůstat tak zachována pro celkový proces. Bez obtíží mohou probíhat i dílčí zatížení.

Na výkrese jsou schematicky znázorněny příklady provedení vynálezu.

Obr. 1 znázorňuje zjednodušené celkové schéma, a obr. 2 stejné schéma jako· na obr. 1, avšak s mezilehlým ohříváním výfukových plynů.

Na obou vyobrazeních jsou stejné konstrukční součásti opatřeny stejnými vztahovými značkami.

Podle obr. 1 má · motor 1 vozidla efektivní střední tlak, který je· mnohem vyšší než 1,5 MPa. S jednostupňovým turbodmychadlem na výfukové plyny nemůže tento motor zpracovat, jelikož by byl dosažitelný poměr plnicího tlaku příliš malý a pracovní rozmezí, které je určeno hranicí čerpatelnosti a hranicí hltnosti, by bylo příliš úzké.

Jako vysokotlakového stupně pro· dvoustupňové přeplňování je užito turbodmychadla 2 na výfukový plyn, které v podstatě sestává z plynové turbiny 3 a . jí poháněného kompresoru 4. Plynová turbina 3 je napájena výfukovými plyny motoru, které po· dílčím' rozepnutí proudí ke stroji 5, pracujícímu s tlakovými vlnami dynamických plynů, který slouží jako nízkotlakový stupeň pro· rozpínání výfukových plynů a pro^: kompresi spalovacího vzduchu. Následně proudí výfukové plyny tlumičem 6 výfuku ven.

Spalovací vzduch proudí sacím filtrem 7 ke stroji 5, pracujícímu s tlakovými vlnami, v němž je jak bylo uvedeno· v předcházejícím. textu, stlačován na první tlakový stupeň. Dále proudí ke kompresoru 4, v němž nastává vysokotlakové stlačení, a dostává se následně k motoru 1.

Aby bylo možno· lépe vzájemně přizpůsobit turbodmychadlo a stroj pracující s tlakovými vlnami, lépe přizpůsobit přeplňovací zařízení předem daným požadavkům motoru a zvýšit množství dopravovaného spalovacího vzduchu, může být · účelně, uspořádat mezi stroj 5, pracující s tlakovými vlnami, a kompresor 4 turbodmýchadla 2 na výfukový plyn vložený chladič 8, jehož chladicí prostředek je regulovatelný ventilem

11. Může být též výhodné, uspořádat ve směru proudění za kompresorem' ještě chladič 9 plnicího vzduchu.

Dvoustupňové přeplňování skýtá též možnost mezilehlého ohřívání výfukového plynu pro rozepnutí ve vysokotlakovém stupni a tím zvýšení jeho entalpie, to jest, jeho chopnosti práce v nízkotlakovém stupni.

Při vysokých teplotách výfukového plynu, které se mohou vyskytovat u motorů s vysokým přeplňováním, je za určitých okolností překročena povolená teplota vstupu plynové turbiny turbodmýchadla na výfu kový plyn. Pak je nutné snížení teploty, výfukového plynu, což může být prováděno libovolným způsobem, avšak velmi výhodně ve spojení s mezilehlým ohřevem výfukového· plynu.

Jedno provedení tohoto konceptu je znázorněno· na obr. 2. Do dráhy proudění výfukových plynů mezi motorem 1 a plynovou turbinou 3 je zapojen výměník 10 tepla, kterým znovu proudí výfukové plyny po svém rozepnutí v plynové turbině před tím, než vstupují do stroje 5, pracujícího s tlakovými vlnami. Tímto způsobem je v témže agregátu horký výfukový plyn ochlazován výfukovým plynem nižšího tlakového stupně na· povolenou teplotu a posledně uváděný výfukový plyn je tím současně mezilehle. · ohříván.

S výhodou pracuje turbodmýchadlo na výfukový plyn, užívané jako vysokotlakový stupeň, v rázovém provozu a stroj, pracující s tlakovými vlnami, užívaný jako nízkotlakový stupeň, v provozu rovnotlakém. Dále budiž ještě uvedeno, že v principu je obou strojů užíváno též obráceně, to jest stroje, pracujícího s tlakovými vlnami, jako· vysokotlakového stupně a turbodmýchadla na výfukový plyn jako stupně nízkotlakového.

Claims (6)

1. Zařízení pro vysoké přeplňování spalovacího motoru s turbodmychadlem na výfukové plyny a strojem, pracujícím s tlakovými vlnami dynamiky plynů, přičemž úbytek tlaku výfukových plynů motoru, rozdělený do dvou stupňů, slouží ke stlačování spalovacího vzduchu ve dvou stupních, vyznačené tím, že turbodmýchadlo (2) na výfukové plyny a stroj (5), pracující s tlakovými vlnami dynamiky plynů, jsou · na straně výfukových plynů a vzduchu spojeny v sérii a každý je umístěn vždy pouze v jednom stupni, přičemž turodmýchadlo (2) na výfukové plyny je umístěno ve vysokotlakovém stupni a stroj (5), pracující s tlakovými vlnami, je umístěn v nízkotlakovém stupni.

2. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že za turbinou (3) turbodmýchadla (2) je ve směru proudění výfukových plynů upraven výměník (10) pro ohřev výfukových plynů.

3. Zařízení podle bodu 2, vyznačené tím, že výměník (10) pro ohřev výfukových plynů vycházejících z turbiny (3) je současně chladičem výfukových plynů, vstupujících do turbiny (3).

4. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že mezi strojem (5'J, pracujícím s tlakovými vlnami, a· kompresorem (4) turbodmýchadla (2) na výfukové plyny je uspořádán vložený chladič (8) pro spalovací vzduch.

5. Zařízení podle bodu 4, vyznačené tím, že· vstup chladicího· okruhu vloženého chladiče (8) je opatřen regulačním ventilem (11) pro regulaci chladicího prostředku.

6. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že· za kompresorem (4) turbodmýchadla (2) na výfukový plyn je ve směru proudění uspořádán chladič (9) plnicího vzduchu.