способ повышения экономичности, мощности и обеспечения положительного баланса электроэнергии в системе электрооборудования транспортного средства с турбокомпаундным двигателем

Формула изобретения

Способ повышения экономичности, мощности и обеспечения положительного баланса электроэнергии в системе электрооборудования транспортного средства с турбокомпаундным двигателем путем расширения отработавших газов в турбине турбокомпрессора и соединенной с коленчатым валом силовой турбине, отключаемой от коленчатого вала на частичных нагрузочных и скоростных режимах с перепуском выпускных газов мимо упомянутой, при этом привод генератора осуществляют от коленчатого вала двигателя, отличающийся тем, что выпускные газы первоначально расширяют в турбине турбокомпрессора, а затем в силовой турбине с перепуском их мимо силовой турбины на частичных режимах работы и расширением в турбине привода генератора, при этом привод генератора осуществляют от упомянутой турбины через соответствующий редуктор, а его привод от коленчатого вала двигателя отключают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к повышению мощности двигателя путем применения компаундной турбины, а также к области электрооборудования транспортных средств, в частности к системам электроснабжения.

Известен способ повышения экономичности двигателя внутреннего сгорания путем применения силовой турбины /1/. Однако указанный способа обеспечивает экономичную работу двигателя только при нагрузке, близкой к номинальной, а на режиме частичных нагрузок приводит к ухудшению топливной экономичности силовых установок.

Известны способы обеспечения положительного баланса электроэнергии в бортовой сети автомобиля путем уменьшения частоты вращения ротора генератора, соответствующей как началу отдачи, так и отдаче номинальной мощности /2/. Это, в свою очередь, ведет к существенному увеличению массогабаритных показателей генераторов, в том числе к увеличению суммарного момента инерции вращающихся масс подвижных элементов.

Известен способ обеспечения положительного баланса электроэнергии в бортовой сети транспортного средства путем увеличения передаточного числа привода генератора /3/. Однако в этом случае накладываются ограничения на максимальную частоту вращения коленчатого вала двигателя и существенно возрастает нагрузка на элементы привода ротора генератора вследствие увеличения момента инерции вращающихся элементов.

Наиболее близким по конструктивному решению и достигаемому результату является способ повышения мощности двигателя внутреннего сгорания /4/, заключающийся в том, что отработавшие газы последовательно расширяют в соединенной с коленчатым валом силовой турбине и турбине турбокомпрессора, при этом в случае работы двигателя на частичных нагрузках газы перепускают мимо силовой турбины, а последнюю отсоединяют от коленчатого вала. В указанном способе перепуск газов предполагается осуществлять при работе двигателя с нагрузкой, составляющей менее 75% от номинальной. При отключении силовой турбины уменьшается противодавление выпуску газов из цилиндров двигателя и увеличивается давление газов перед турбиной турбокомпрессора, приводящее к росту давления наддува, что обеспечивает улучшение воздухообеспечения рабочего процесса, а следовательно, и топливной экономичности силовой установки при работе на частичных режимах. Однако исследования показывают, что в этом случае существенно возрастает часть нереализованной энергии отработавших газов.

Более того, целый ряд объектов автомобильной техники в основном используется при средних частотах вращения коленчатого вала двигателя (например автомобили повышенной проходимости), а зачастую и при работе двигателя на минимальных оборотах холостого хода (автобусы, автомобили используемые в городских режимах). В бортовой сети указанных объектов в таких условиях невозможно обеспечение положительного баланса электроэнергии, особенно при движении зимой и (или) в условиях ограниченной видимости, а также при наличии дополнительных потребителей электроэнергии.

Настоящее изобретение направлено на повышение эксплуатационной экономичности и мощности двигателя, а также обеспечение положительного баланса электроэнергии в бортовой сети.

Указанная цель достигается тем, что отработавшие газы расширяют последовательно в турбинах турбокомпрессора и силовой турбине, при этом на режиме частичных нагрузок газы перепускают мимо силовой турбины на турбину привода генератора, а силовую турбину и штатный привод генератора отключают от коленчатого вала двигателя.

На представленном чертеже, поясняется сущность описываемого способа.

При работе двигателя 1 с нагрузкой, близкой к номинальной, отработавшие газы последовательно расширяют в турбине 2 турбокомпрессора, затем в силовой турбине 3, соединенной с коленчатым валом 4 двигателя 1 при помощи шестеренчатой передачи 5 и муфты сцепления 6. Компрессор 7 турбокомпрессора всасывает воздух из атмосферы и подает его по впускному трубопроводу 8 через воздухоохладитель 9 в двигатель 1. Выпускные газы из двигателя направляются на турбину 2 турбокомпрессора, где реализуется основная их энергия, при этом оставшаяся энергия реализуется на силовой турбине 3. При нагрузке и частотах вращения коленчатого вала двигателя меньше 75% от номинальной выпускные газы двигателя 1 перепускают мимо силовой турбины 3 по обводной трубе 10 на турбину 11 привода генератора 12, ротор которого соединен через дополнительную муфту сцепления 13 и редуктор 14 с турбиной 11 привода генератора 12, а через муфту сцепления 15 привода генератора 12 с коленчатым валом 4 двигателя 1. При этом включают дополнительную муфту сцепления 13, а муфту сцепления 15 привода генератора 12 отключают. Для осуществления перепуска в стыке между обводной трубой 10 и газовпускной магистралью 16 силовой турбины 3 установлено специальное устройство 17.

При последовательном расположении двух газовых турбин энергетический потенциал газов распределяется в пользу первой по потоку турбины. Кроме того, мощность, необходимая для привода генератора 12, существенно меньше мощности, вырабатываемой силовой турбиной 3, поэтому при направлении выпускных газов на турбину привода генератора противодавление за турбиной 2 турбокомпрессора существенно снизится. Все это улучшает работу турбокомпрессора, что обеспечивает увеличение давления наддува и коэффициента наполнения цилиндров, а следовательно, и мощности двигателя 1 в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы, характерных для автомобильных двигателей внутреннего сгорания.

При перепуске газов на турбину 11 дополнительного привода генератора и увеличения частоты вращения ротора последнего, а следовательно, и величины отдаваемого им тока, обеспечивается положительный баланс электроэнергии в бортовой сети, одновременно уменьшается момент сопротивления провертыванию коленчатого вала 4 двигателя 1, что благоприятно скажется на топливной экономичности двигателя.

Таким образом, расширение отработавших газов в последовательно соединенных турбине турбокомпрессора и силовой турбине на нагрузках, близких к номинальным, отключение силовой турбины и перепуск отработавших газов на турбину привода генератора на частичных нагрузочных и скоростных режимах с одновременным отключением привода генератора от коленчатого вала обеспечивает повышение топливной экономичности и мощности двигателя за счет лучшей наполняемости его цилиндров свежим зарядом и уменьшения потерь мощности на привод генератора с одновременным обеспечением положительного баланса электроэнергии в бортовой сети за счет увеличения частоты вращения ротора генератора до значений, при которых генератор способен отдавать номинальную мощность.

Список использованных источников

1. Циннер К. Наддув двигателей внутреннего сгорания / Перевод с нем.; под ред. д-ра техн. наук И.Н. Иванченко. - Л.: Машиностроение, 1978. - 264 с.

2. Электрическое и электронное оборудование автомобилей / С.В. Акимов, Ю.И. Боровских, Ю.П. Чизков. - М.: Машиностроение, 1988. - 280 с., с. 11-13.

3. Ютт В. Е. Электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 1989. - 287 с., с. 6.

4. Авторское свидетельство СССР N 477248 М. Кл. F 02 B 37/00 от 10.10.1975 г. Бюллетень N 26 от 15.07.1975 г.