способ выполнения турбонаддува двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

Способ выполнения системы турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие атмосферного воздуха в компрессоре турбокомпрессора, охлаждение его с помощью низкотемпературного охладителя, отличающийся тем, что в нем использован промежуточный теплоноситель низкокипящий сжиженный газ, который циркулирует по замкнутому промежуточному контуру между двумя рекуперативными пористокомпактными теплообменниками, в одном из которых, испарительном, промежуточный теплоноситель воспринимает тепло (тепловую мощность) от наддувочного воздуха, охлаждая его до требуемой температуры, а в другом, конденсаторном, отдает его (ее), работая как тепловой насос, охлаждающему атмосферному воздуху, перекачивая тем самым это тепло (тепловую мощность) из испарительного теплообменника в конденсаторный, причем промежуточный теплоноситель по замкнутому контуру прокачивается его компрессором, а после конденсаторного теплообменника он дросселируется в его дроссельном вентиле с требуемым своим захолаживанием перед своей подачей в испарительный теплообменник, пройдя который промежуточный теплоноситель затем поступает в контурный компрессор, а из него в конденсаторный теплообменник и так далее, при этом степень доохлаждения наддувочного воздуха в испарительном теплообменнике изменяется в пределах



при принятом расчетном колебании температуры атмосферного воздуха в относительных величинах 1 T_возд 1,447828 и при сохранении расчетных параметров в замкнутом промежуточном контуре.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для разработки и производства турбонаддувных систем двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Из уровня техники известно изобретение, в котором атмосферный воздух сжимается в компрессоре турбокомпрессора, затем охлаждается с помощью низкотемпературного охладителя (SU, aвт.cв. 1312204, F 02 B 29/04, 1987).

Технической задачей изобретения является выполнение такой системы турбонаддува ДВС, в которой наддувочный воздух охлаждался бы низко-температурным охладителем, который бы сам охлаждался бы атмосферным воздухом.

Поставленная задача решается за счет того, что способ выполнения турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие атмосферного воздуха в компрессоре турбокомпрессора, охлаждение его с помощью низкотемпературного охладителя, в нем использован промежуточный теплоноситель низкокипящий сжиженный газ, который циркулирует по замкнутому промежуточному контуру между двумя рекуперативными пористо-компактными теплообменниками, в одном из которых испарительном, промежуточный теплоноситель воспринимает тепло (тепловую мощность) от наддувочного воздуха, охлаждая его до требуемой температуры, а в другом конденсаторном, отдает его (ее), работая как тепловой насос, охлаждающему атмосферному воздуху, перекачивая тем самым это тепло (тепловую мощность) из испарительного теплообменника в конденсаторный, причем промежуточный теплоноситель по замкнутому контуру прокачивается его компрессором, а после конденсаторного теплообменника он дросселируется в его дроссельном вентиле с требуемым своим захолаживанием перед своей подачей в испарительный теплообменник, пройдя который, промежуточный теплоноситель затем поступает в контурный компрессор, а из него в конденсаторный теплообменник и так далее, при этом степень доохлаждения наддувочного воздуха в испарительном теплообменнике изменяется в пределах , при принятом расчетном колебании температуры атмосферного воздуха в относительных величинах 1 T_возд. 1,447828 и при сохранении расчетных параметров в замкнутом промежуточном контуре.

В качестве промежуточного теплоносителя используется ожиженный газ.

Итак, в предлагаемом здесь способе используется в качестве промежуточного теплоносителя реальный ожиженный газ и его дросселирование с использованием эффекта Джоуля-Томсона.

Из уравнения, описывающего состояние реальных газов Ван-дер-Ваальса (ВдВ), (P + a/V²)(V b) RT, в котором "а" и "b" постоянные, независящие от P, V и T, разрешая его относительно давления P, нетрудно получить P a/V², т. е. каждому объему и температуре соответствует одно определенное давление, т. е. в координатах P-V это будут изотермы. Преобразуя полученное уравнение, также нетрудно получить выражение: которое, как видно, является уравнением третьей степени относительно удельного объема V. При достаточно высокой температуре это кубическое уравнение имеет один вещественный корень (два корня комплеконы). Такая ситуация в реальных газах называется критической, при которой, естественно, имеем, T_кр., P_кр. и V_кр..

Если T < T_кр., то при этом кубическое уравнение имеет три вещественные корня, что свидетельствует о зигзагообразном двойном перегибе в изотермах ВдВ в координатах P-V (4.6). То есть при T T_кр. изотермы ВдВ в координатах P имеют две экстремальные точки, в которых первые производные ур. ВдВ .

При стремлении T к T_кр. эти экстремальные точки начинают сближаться друг с другом, а зигзаг изотермы, при этом, вырождается и при T T_кр. экстремальные точки сливаются в одну точку точку перегиба при полном отсутствии зигзага в единственной критической изотерме ВдВ и в ее точке перегиба критической точке, естественно, и вторая производная 0.

Из уравнения Ван-дер-Ваальса вида нетрудно получить:

и

Решая все три уравнения совместно, получим:



из которых, после преобразования, получим также полезные соотношения:



Здесь газовую постоянную можно представить, например, как , где молекулярный вес вещества, т. е. здесь газовая постоянная отнесена к 1 кг любого газа.

Полученные результаты подтверждают чисто физическое представление о том, что все реальные газы являются парами тех или иных жидкостей, причем чем ближе газ к переходу в жидкое состояние, тем больше его отклонение от свойств идеального газа, состояние которого описывается уравнением PV RT.

Если сжимать газ при T const (по изотерме), то можно достигнуть состояния насыщения (сжижения газа), соответствующее этой T и некоторому определенному давлению Р. При дальнейшем сжатии газ (пар) будет конденсироваться и в определенный момент полностью превратиться в жидкость. Процесс перехода газа (пара) в жидкость проходит при постоянных температуре и давлении, т. к. давление насыщенного газа (пара) однозначно определяется температурой.

Область двухфазных состояний (пар-жидкость) лежит между кривыми кипящей жидкости и сухого насыщенного пара, состоящих из набора (в пределе геометрических мест точек) крайних корней кубического ур. ВдВ V₁ и V₃, при V₁ < V₃, согласно их ряда V₁ < V₂ < V₃.

При увеличении давления P и, разумеется, при одновременном увеличении температуры Т, указанные кривые в совокупности со вторым корнем V₂ и двумя экстремальными точками на изотермах устремятся к одной единственной точке, в которой все это сольется, это к критической точке, индивидуальной для каждого конкретного вещества, со своими индивидуальными значениями P_кр., T_кр. и V_кр., характеризующими их критические состояния.

При критическом состоянии исчезают различия между жидкостью и паром (газом). Оно является предельным физическим состоянием как для однофазного, так и для распавшегося на две фазы вещества. При температуре более высокой, чем критическая, газ (пар) ни при каких давлениях не может сконденсироваться, т. е. превратиться в жидкость.

Вследствие того, что процесс дросселирования является изоэнтальпийным процессом, т. е. в нем энтальпия (теплосодержание дросселируемого вещества) не изменяется в этом процессе, то эффект дросселирования в дифференциальном представлении имеет вид:



Используя для реальных веществ (газов) уравнение Ван-дер-Ваальса для умеренных давлений, определив , после общих упрощений и преобразований выше приведенного дифференциального уравнения, получим:



где P = P₂- P₁, а индексы 1 и 2 соответственно относятся к состоянию вещества до и после дросселирования, при этом C_p теплоемкость вещества при постоянном давлении.

Из полученного последнего приближенного выражения вытекают варианты, которые представлены в таблице.

Изменение знака дроссельного эффекта называется инверсией.

В точке инверсии и, как следует из выше приведенных выражений, это происходит только при 2a/RT b, откуда имеем T_инв.= 2a/Rb, а учитывая, что T_кр. 8/27a/Rb (см. выше), получим T_инв. 6,75 T_кр..

Таким образом, температура инверсии реальных газов (веществ) по ВдВ в 6,75 раза больше их критических.

Как следует из таблицы, температура вещества при дросселировании возрастает, если T₁ > T_инв., и понижается, если T₁ < T_инв.. Температуры инверсии большинства веществ (газов), за исключением водорода и гелия, достаточно велики и процессы дросселирования обычно идут с понижением температуры веществ, за исключением двух выше оговоренных, но и их, тем не менее, не только захолаживают, но и отжимают дросселированием, предварительно захолодив их жидким воздухом, а водород дросселированием переводят даже в твердое состояние, предварительно захолодив его жидким гелием.

Из последнего приближенного уравнения, преобразуя сначала скобку (2a/RT

в), введя в нее и (см. выше), получим



где индекс др. относится к дросселированию, например, T_др. - температура вещества перед дросселированием (бывший индекс 1), т. е. перед дроссельным вентилем.

Далее, считая в первом приближении, что теплоемкость газообразных веществ C_p C_v+R = 3R+R = 4R, окончательно получим:



При положительной скобке в (1), а она будет положительна для всех нормально сжижающихся веществ, кроме водорода и гелия, при P₂- P₁= P_др< 0, т. к. при дросселировании всегда P₂ < P₁, будем иметь и T₂- T₁= T_др< 0, т. е. T₂ < T₁, а это означает, что вещество при его дросселировании захолаживается, т. е. здесь будет иметь место так называемый положительный дроссельный эффект. Однако, поскольку T_др и P_др имеют один и тот же отрицательный знак, при положительном знаке скобки, формально, при вычислениях по (1), они оба будут положительными, хотя неформально, а по сути P_др всегда отрицательно.

Если скобка в (1) поменяет знак и станет отрицательной величиной, а это возможно при очень низких T_кр. вещества (например гелия, водорода), то T_др по сути станет положительной величиной, а это означает разогрев вещества при его дросселировании. Чтобы этого не происходило, следует снижать температуру вещества T_др. перед дросселем, что и делают при сжижении водорода и гелия и отверждении H₂.

Таким образом, лучшим захолаживающим веществом, при его дросселировании, будет то, у которого выше T_кр., причем вдвойне, поскольку в (1) повышение T_кр. надежно держит не только нужный положительный знак скобки, но увеличивает еще и модуль T_др, что повышает глубину захолаживания.

Глубина захолаживания, как видно из (1), возрастает и с понижением P_кр. вещества, а это, к тому же, при требуемом и фиксированном уровне T_др, дает возможность снижать еще и P_др до минимально допустимого уровня, что чрезвычайно важно для прочности устройств с использованием дроссельного эффекта Джоуля-Томсона, т. к. уровень требуемого перепада давления на дросселе в таких устройствах определяет максимальное давление в их конструкции.

Из уравнения (1), преобразуя его для дальнейшего анализа, можно получить выражения:

(2)

или

(3)

или, в связи с тем, что,



весьма упрощенное, но тем не менее, очень удобное:

(4)

где T_дрx T_др величины (величина), задаваемые по схемным требованиям (см. чертеж); P_кр/T²_кр величины (величина), характеризующие индивидуальность веществ, необходимые, например, для выбора из них подходящего промежуточного теплоносителя, к примеру, в замкнутом промежуточном контуре схемы (см. чертеж).

Поскольку предлагаемое в заявке техническое решение относится к охлаждающим системам, то для нее, в целом, наиболее критической будет ситуация максимально высокой, определяющей ситуацию температуры, температуры окружающего атмосферного воздуха, равной 323,3K (50^oC).

По предлагаемому способу выполнения системы турбонаддува ДВС, атмосферный воздух с такой предельно высокой температурой, с одной стороны, а именно ТКА, нагнетается в испарительный ТО-1, где он, перед подачей в двигатель, должен охладиться до заданной температуры, а с другой стороны, этот же воздух, к примеру, радиаторным вентилятором ДВС и скоростным напором движения транспортного средства, нагнетается в конденсаторный ТО-2, где он предварительно охлаждает промежуточный теплоноситель замкнутого контура двух теплообменников системы (см. чертеж).

При адиабатном сжатии воздуха в компрессоре ТКА, например до P 3 атм, при указанной входной ее температуре 323,3K (50^oC), его температуре на выходе из компрессора T 443,3K (170^oC).

С такими параметрами наддувочный воздух поступает в испарительный ТО-1, где он охлаждается, например, до температуры 273,3K (0^oC) и приобретает, с учетом потерь давления на его прокачку по тракту ТО-1 (например P 0,3 атм), давление на выходе из испарителя P 2,7 атм.

С такими параметрами наддувочный воздух подается в ДВС.

С другой стороны, во второй тракт испарительного ТО-1, в противоток наддувочному воздуху, подается промежуточный теплоноситель (ПТ), например, с температурой T 263,3K (-10^oC) и P 1,3 атм, так чтобы разница температур между наддувочным воздухом и его охладителем ПТ, с этой стороны ТО-1, была бы, к примеру, T_min= 10⁰.

С противоположной стороны ТО-1 температуру ПТ можно принять, например T 273,3K (0^oC), так чтобы и разогрев охладителя ПТ составил T_пт 10^oC, а его давление на выходе из ТО-1 было бы P 1 атм, т. е. потери давления на прокачку ПТ по ТО-1 и здесь также приняты 0,3 атм. При этом максимальная разница температуры между входящим в ТО-1 наддувочным воздухом и выходящим из него ПТ будет T_max 170^oC.

По приведенным примерным данным (требованиям) для испарительного ТО-1, можно определить средне-логарифмический температурный напор теплопередачи в нем , который по своему уровню является весьма обнадеживающим. При этом КПД ТО-1 _то-1, по определению равный отношению реального захолаживания горячего теплоносителя (наддувочного воздуха) к его предельно теоретическому захолаживанию, будет 443,3K 273,3K/443,3K 263,3K 0,9444, т. е. необычайно большой, по-видимому, из-за мизерного T_min 10^oC.

В то же время атмосферный воздух с T 323,3K (50^oC), с другой стороны, нагнетается, практически при атмосферном давлении, в конденсаторный ТО-2 для предварительного охлаждения ПТ, противоточно циркулирующего по другому его тракту (см. чертеж). При этом, со стороны входа атмосферного воздуха в ТО-2, перепад температур между указанными двумя его теплоносителями также примем минимальным, т. е. DT_min 10^oC. Тогда, согласно принятому T_min= 10⁰ и температуре атмосферного воздуха T 323,3K (50^oC), температура выходящего из ТО-2 промежуточного теплоносителя T_пт. T_др. 333,3K (60^oC).

С этой температурой ПТ, по схеме чертежа, подается на дроссель, где за счет дросселирования он должен охладиться до T 263,3K (-10^oC) и после дросселирования иметь давление P 1,3 атм. Таким образом, на дросселе имеет место температурный перепад Т_др. 70^oC.

Теперь можно решить вопрос о выборе вещества ПТ, используя для этой цели предельно упрощенное соотношение (4) и справочные данные по указанным веществам.

Если в (4) подставить оговоренные выше исходные данные, то можно получить: P_др 4,762x70x333,3xP_кр/T²_кр=/333,3/T_кр/²xP_кр, по которому и по данным (6) был перебран ряд веществ, с целью определения вещества с минимальным P_др. для оговоренных условий, которым оказалось органическое соединение C₁₂H₂₆, н-додекан, имеющие T_кр. 663,9K (390,6^oC) и P_кр. 18,5 атм и дающее, для оговоренных выше условий, D P_др. 4,6627 атм. Некоторые остальные из рассмотренных веществ в порядке возрастания D P_др. в атм, они будут в скобках, дают такой ряд: органика C₁₁H₂₄, н-ундекан (5,35); C₁₀H₂₂, н-декан, (6,13); C₉H₁₂, 1,2,4-триметилбензол (8,54); C₆H₆, бензол (17,5); C₃H₈O, н-пропиловый спирт (19,3); C₂H₆O, этиловый спирт (26,2); фреон Ф-12, применяемый в бытовых холодильниках (30,68) и неорганика NH₃, аммиак (75,36) и т. п.

Поэтому здесь в качестве промежуточного теплоносителя (ПТ) рекомендуется, для оговоренных условий, использовать C₁₂H₂₆, н-додекан, дающий D P_др. 4,6627 атм, т. е. минимальный уровень силовой нагрузки конструкции в предлагаемой системе турбонаддува.

По цепочке замкнутого промежуточного контура этой системы теперь нетрудно установить, что ее компрессор должен выдавать давление ПТ, при его входе в конденсаторный ТО-2, P₂ 6,2627 атм, а температура ПТ, при этом, вследствие адиабатного сжатия охладителя, согласно выражению будет T₂ 273,3 (6,2627)^0,2481203 430,85K (175,55^oC), здесь для многоатомных веществ K 1,33; при этом разогрев прокачиваемого через ТО-2 атмосферного воздуха, из-за отсутствия здесь ограничений на его массовый расход, можно принять минимальным, порядка T_возд 10^oC. Следовательно, на выходе из ТО-2 атмосферной среды будет иметь T 333,3K (60^oC), против входной T 323,3К (50^oC).

Таким образом, примерно-приближенная, базовая основа технического задания (ТЗ) для теплогидравлических расчетных исследований предложенного здесь технического решения, получена, правда для предельной высокой, но зато расчетной температуры окружающей атмосферы среды.

Вместе с тем, в этой базовой основе, однако, нехватает, по предлагаемому здесь способу выполнения системы турбонаддува, уровень передаваемой ею тепловой мощности, которую, между тем, можно определить по мнемоническому соотношению Q_то, кВт 0,1N_{двс, лс}, естественно, при задании конкретного уровня N_{двс, лс} но это уже будет та конкретика, которая несвойственна заявочным материалам.

Тем не менее, по предлагаемому здесь способу выполнения системы турбонаддува ДВС, обозначенная Q_то, будет проходить по всем ее узлам: теплообменникам, компрессору ТКА и компрессору ЗК (замкнутого контура), а также радиаторному вентилятору.

В теплообменниках системы указанная тепловая мощность передается между их теплоносителями друг другу практически без потерь и поэтому, в принципе, они не являются ее потребителями, но два компрессора и вентилятор, напротив, ее потребляют, причем с учетом их КПД, их привода могут потреблять большую мощность чем Q_то.

Обычно вентилятор во вращение в ДВС приводится двигателем через механическую передачу с его вала и, тем самым, некоторая его мощность тратится на это. Поскольку в предлагаемом техническом решении используется традиционно применяемый в известных системах турбонаддува ТКА, то теперь имеет смысл преобразовать его в ТГКА (турбо-генераторно-компрессорный агрегат), подняв соответственно мощность его турбины, работающей от бросовых выхлопных газов ДВС, до соответствующего уровня, и от его генератора запитать электроприводы трех потребителей.

Полагая, что КПД у этих потребителей одинаковы, получим требуемую мощность турбины ТГКА Q_т, кBт = 3Q_то/_пт= 0,3/_птN_двс, лс, где _п 0,75 и _т 0,85 соответственно, КПД потребителей и турбины.

К примеру, примем N_двс 100 лс 73,53 кВт. Тогда Q_т 47 кВт.

Примем также термический КПД ДВС _т 0,5 [5] Тогда максимально теоретическая тепловая мощность ДВС, которую он бы развил в отсутствии потерь (энергия всего сгоревшего топлива превращена в полезную работу), будет



Из полученных цифр следует, что N^тео_ДВС^р распределяется следующим образом: вал ДВС берет 50% турбина ТГКА 32% а 18% уйдет с выхлопными газами.

Следовательно, КПД комплексной двигательной установки, турбонаддувная система которой выполнена по предлагаемому техническому решению, будет на уровне 82% т. е. это очень высокий КПД, и все это из-за высокой степени утилизации энергии выхлопных газов в такой установке.

Теперь необходимо представить себе, что будет с системой турбонаддува, по предлагаемому здесь способу ее выполнения, если выше принятые ее расчетные атмосферные условия изменятся и, по температуре окружающей атмосферной среды, примут крайне низкий свой уровень T_атм 223,3K (-50^oC). Причем, при этом, требования к наддувочному воздуху, естественно, остаются прежними, т. е. он должен, перед подачей в ДВС, иметь прежнюю температуру T 273,3K (0^oC) и прежнее давление P 2,7 атм (фиг. 1).

Таким образом, по отношению к расчетным условиям, окружающая среда понизила температуру на 100^o, это весьма много.

При таком понижении, температура от ТКА на входе в испарительный ТО-1 будет T_вх 305,6K (32,3^oC), а на выходе из него должна быть прежней T_вых 273,3K (0^oC), если конечно, температурная эпюра ПТ (охладителя) в ТО-1 останется также прежней; T_вх 263,3K (-10^oC) и T_вых 273,3K (0^oC), а возможно и несколько подрегулированной (см. ниже). При этом давление и перепады давлений в ТО-1 должны оставаться примерно прежними. В этом случае в ТО-1 реализуется 19,0335^o и h_то-1 0,7636. Оба эти показателя существенно отличаются от расчетных, и оба они ниже расчетных.

Если в конденсаторном ТО-2 опустить воздушную температурную эпюру ниже на 100^o, а по требованиям испарительного ТО-1 температурную эпюру промежуточного теплоносителя оставить в нем без изменений от расчетной, т. е. на прежнем уровне, то нетрудно определить 149,53^o и h_то-2 0,952, против расчетных величин этих параметров по ТО-2, которые соответственно имеют значения 38,44^o и _то-2 0,907. КПД здесь хоть и изменился, но несущественно, а вот температурный напор теплопередачи увеличился в 3,89 раза, а это, при неизменной расчетной конструкции системы, приводит к переохлаждению промежуточного теплоносителя почти до предельно возможного, в такой ситуации, уровня 223,3K (-50^oC).

Используя упрощенное выражение (4) и полагая, что, при работающем компрессоре ЗК, перепад давления на дросселе остается прежним, т. е. P_др. 4,6627 атм, легко вычислить, что температурный перепад при этом на нем будет D T_др. 0,2^o, т. е. практически его нет. Тогда температура за дросселем будет такой же, как и перед ним, а именно 223,3 K (-50 C), т.е. на 40^o ниже требуемой 263,3 K (-10^oC) (см. чертеж).

Есть только одна возможность вернуть конденсаторный ТО-2 в расчетное состояние это снизить процесс захолаживания в нем ПТ предельно холодным атмосферным воздухом за счет частичного или полного прекращения его подачи в конденсаторный ТО-2. Технически это нетрудно осуществить с помощью поворотных жалюзей, способных почти полностью перекрыть каналы воздушного тракта ТО-2, как это обычно делается на радиаторах автомобилей, а также, в дополнение к этому, предусмотреть в системе турбонаддува ДВС еще и байпасную закольцовку ПТ после дросселя через терморегулятор на прямую с компрессором ЗК, вплоть до полного прекращения подачи ПТ в испарительный ТО-1.

Поскольку за расчетную температуру здесь обоснованно принята предельно высокая атмосферная температура 323,3K (50^oC) и конструкционный облик ТО-1, впрочем как и всех остальных агрегатов системы, обсчитан и создан, а затем материализован с помощью конструкционных материалов в законченном изделии, которое затем неподвержено никаким изменениям, то при изменении расчетных условий, оно (изделие) функционально будет вести себя, естественно, нерасчетно.

Из приведенных выше данных по ТО-1, характеризующих его функциональное поведение, в расчетном и в предельно нерасчетном состояниях, при условии неизменности в нем, при этом, температурной эпюры промежуточного теплоносителя, что, как видно из вышеизложенного, может выполняться, следует главный ситуационный нонсенс, а именно то, что при этом в ТО-1 значительно изменяется температурный напор теплопередачи он уменьшается и составляет почти 1/3 от расчетного напора. Это означает, что крайне холодный воздух, после сжатия в компрессоре ТКА, в этом случае, в испарительном ТО-1, лишь доохлаждается до требуемого уровня.

Введя понятие степени доохлаждения в испарительном ТО-1, в турбонаддувной системе ДВС, выполняемой по предлагаемому здесь способу, получим еще один его существенный отличительный признак , выполняющийся при принятом расчетном колебании температуры атмосферного воздуха в относительных величинах 1 T_возд. 1,447828 и при сохранении расчетных параметров в замкнутом промежуточном контуре системы.

В рамках отмеченного существенного отличительного признака, в испарительном ТО-1 предложенной турбонаддувной системы, будет автоматически выполняться саморегулирование по отношению к изменению температуры окружающего атмосферного воздуха, естественно, в принятом интервале его изменения.