Способ работы двигателя с внешним подводом теплоты и двигатель с внешним подводом теплоты

 

Использование: в двигателестроении, в частности в процессах эксплуатации двигателей с внешним подводом теплоты, работающих по замкнутому регенеративному циклу. Сущность изобретения: способ предусматривает испарение и перегревание в парогенераторе рабочего тела с подачей его в поршневую машину попеременно с разных сторон поршня. Отработавший пар на такте вытеснения частично конденсируют непосредственно в рабочей камере цилиндра, конденсат в количестве цикловой дозы подогревают отработавшими продуктами сгорания топлива (ПСТ) и подают в парогенератор. Оставшийся пар конденсируют в конденсаторе. В этом случае предусмотрен такой режим работы, в котором отработавший пар используют для работы холодильника, например, абсорбционно-диффузионного типа, где пар конденсируют, конденсат охлаждают в холодильной камере и подают в количестве цикловой дозы в парогенератор через змеевик, помещенный в поток ПСТ, конденсируют пары воды, содержащейся в ПСТ. Выделяющейся при этом теплотой подогревают конденсат, протекающий в змеевике. Конденсат паров воды из ПСТ с растворенными в нем окислами утилизируют. Теплоту агрегатов двигателя, заключенных в кожух, теплоту отработавших ПСТ, пара и конденсата, регенерируют, подогревая воздух и топливо, нагнетаемое в камеру сгорания. Часть теплоты сгорания топлива и теплоту, выделяющуюся при регенеративном торможении автотранспорта, используют для пуска двигателя и работы автотранспорта в экологически чистом режиме. Для поддержания в процессе эксплуатации в парах трения минимальных зазоров в поток конденсата рабочего тела установлена проточная вставка, заполненная плакирующим материалом. 2 с. и 11 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям с внешним подводом теплоты, работающим по замкнутому регенеративному циклу со сменой агрегатного состояния рабочего тела. Двигатели, работающие по заявленному способу, могут использоваться в качестве силовой установки транспортных средств и стационарно с использованием различных видов тепловой энергии.

Известен двигатель с внешним подводом теплоты, работающий по замкнутому регенеративному циклу двигатель Р.Стирлинга. В основе его работы лежит принцип разделения горячей и холодной полостей цилиндра, между которыми рабочее тело перемещается с помощью вытеснительного поршня, приводимого от специального механизма преобразования, прокачивая его через нагреватель, регенератор и холодильник в каждом цикле в прямом и обратом направлении. Полезная работа получается за счет сжатия тела при низкой температуре и расширении того же рабочего тела при высокой температуре (Ридер Г. Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. М. Мир, 1966, с.16-40).

Известен способ работы двигателя путем испарения жидкости в парогенераторе, периодической подачи пара в рабочую камеру паровой машины, его свободного расширения и отвода отработавшего пара в конденсатор, нагнетания полученного конденсата дискретными дозами в парогенератор синхронно с частотой рабочих циклов паровой машины (авт.св. СССР N 1564372, кл. F 01 K 21/00, опублик. 1990 [2]).

Известно также устройство для реализации способа, содержащее соединенные между собой парогенератор, конденсатный насос, конденсатор и объемную паровую машину с цилиндром и размещенным в нем с образованием рабочих камер переменного объема поршнем. Техническое решение, описанное в [2] принято за прототип как наиболее близкий аналог предлагаемого решения.

К недостаткам решения, описанного в [2] можно отнести низкий КПД и плохие массогабаритные характеристики, что обусловлено недостаточной регенерацией теплоты продуктов сгорания топлива и отработавшего пара.

Поставленная техническая задача повышение КПД и улучшение массогабаритных характеристик паросиловой установки решается за счет повышения степени использования и регенерации теплоты продуктов сгорания топлива, отработавшего пара, теплоты нагретых агрегатов и деталей силовой установки, заключенных в теплоизолирующий кожух, а также за счет использования высшей теплоты сгорания топлива и снижения нижней температуры цикла путем использования холодильника, работающего на теплоте отработавшего пара, его конденсата и(или) продуктов сгорания топлива (ПСТ).

Поставленная техническая задача достигается тем, что по способу работы двигателя с внешним подводом теплоты, работающего по замкнутому регенеративному циклу путем испарения жидкости в парогенераторе за счет сжигания топлива в среде окислителя, периодической подачи образующегося при этом пара в рабочую камеру паровой машины и отвода отработавшего пара в конденсатор, с целью снижения работы сжатия и уменьшения габаритов конденсатора отработавший пар частично конденсируют непосредственно в рабочей камере за счет впрыска в нее охлажденного конденсата. Смесью пара и конденсата подогревают топливо, нагнетаемое в камеру сгорания, и подают смесь в конденсатор, где смешивают с распыливаемым охлажденным конденсатом и полностью конденсируют. Часть горячего конденсата в количестве цикловой дозы подогревают отработавшими ПСТ и подают в парогенератор. Оставшийся конденсат охлаждают воздухом, нагнетаемым в камеру сгорания, и используют частично для впрыска в рабочую камеру цилиндра, частично подают в емкость охлажденного конденсата.

При сжигании низкосортного топлива (мазут, нефть и др.) с большим влагосодержанием для повышения КПД и экологичности двигателя теплоту отработавшего пара и отработавших ПСТ используют для работы холодильника, работающего с затратой теплоты, например, абсорбции типа, в котором пар конденсируют, конденсат охлаждают в холодильной камере и используют для впрыска в рабочую камеру и конденсации из ПСТ паров воды, содержащихся в топливе и образующихся в процессе реакции его горения, путем охлаждения ПСТ на стенках змеевика, по которому пропускают цикловую дозу холодного конденсата, нагнетаемого в парогенератор. Выделяющуюся при конденсации паров воды скрытую теплоту парообразования используют для подогрева конденсата, реализуя высшую теплоту сгорания топлива. Для повышения экологичности двигателя конденсат с растворенными в нем окислами может быть собран и утилизирован.

Топливо, подогретое отработавшим паром, перед подачей на сжигание дополнительно нагревают и испаряют за счет теплоты отработавших в парогенераторе ПСТ.

Воздух, нагнетаемый в камеру сгорания, подогревают, обдувая последовательно теплоизлучающие поверхности конденсатора (холодильника), поверхности горячих агрегатов двигателя, заключенных в теплоизолирующий кожух, затем дополнительно нагревают за счет теплоты отработавших в парогенеранаторе ПСТ.

Поставленная техническая задача достигается также тем, что двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий соединенные между собой парогенератор с патрубками подвода конденсата и отвода пара, подачи топлива и окислителя, конденсатный насос, конденсатор, объемную поршневую паровую машину, регенеративный теплообменник рабочего тела, установленный в тракте уходящих газов парогенератора, воздухонагреватель, дополнительно содержит подогреватель и испаритель топлива, холодильник, работающий на теплоте отработавшего пара, конденсата и(или) отработавших ПСТ, накопительную емкость охлажденного конденсата, второй конденсатный насос, регенеративный подогреватель цикловой дозы конденсата от ПСТ, кран режима работы регенеративного подогревателя, форсунки для впрыска охлажденного конденсата в цилиндры двигателя, причем двигатель выполнен двухцилиндровым, в каждом цилиндре оппозитно установлено по два поршня, кинематически связанных между собой через механизм преобразования. Вход регенеративного подогревателя конденсата подключен через кран режима работы и конденсатные насосы к емкости охлажденного конденсата, конденсатору или холодильнику. Воздухоподогреватель выполнен трехступенчатым. В качестве первой ступени подогрева служат теплообменные поверхности конденсатора или холодильника, второй тепловыделяющие поверхности агрегатов двигателя, заключенных в теплоизолирующий герметизируемый кожух, а третьей поверхности воздуховода, установленного в тракте уходящих газов парогенератора. На паропроводе, соединяющем парогенератор с паровой машиной, установлена запоpно-регулирующая арматура. В трубопровод между емкостью охлажденного конденсата и насосом, нагнетающим конденсат в рабочие камеры цилиндров, установлена проточная вставка, заполненная плакирующим составом, например солями титана, слаборастворимыми в воде. В газоходе парогенератора установлен оребренный аккумулятор теплоты, ребра которого контактируют с змеевиком парогенератора. Для улучшения теплообмена аккумулятор имеет каналы для прохода газов. В качестве аккумулирующего материала может быть использован обладающий высокой энергоемкостью, например, фтористый литий.

Способ работы двигателя может реализовываться в одно- или многоцилиндровых конструкциях, с использованием различных механизмов преобразования. Работа двигателя, его конструкция и получаемый полезный эффект показаны на примере двухцилиндрового двигателя с противоположно движущимися поршнями двустороннего действия. Способ работы двигателя поясняется чертежом.

Двигатель содержит два цилиндра 1, поршни 2 двустороннего действия, помещенные по два в каждый цилиндр, поршневые штоки 3, соединенные с механизмом преобразования (не показан). Цилиндры с торцов герметично закрыты днищами 4 с уплотнениями 5 поршневых штоков и снабжены центральными 6 и периферийными 7 впускными окнами с золотниками 8 и 9 соответственно. Стенки цилиндров, их днища и поршни образуют в каждом цилиндре по две внешние рабочие камеры 10 и по одной внутренней 11. Камеры снабжены форсунками для распыления холодной воды, причем камеры 10 имеют по три форсунки, а камеры 11 по пять. Форсунки внешних рабочих камер каждого цилиндра соединены между собой и с форсунками внутренних рабочих камер смежного цилиндра. Каждая группа форсунок соединена соответственно с выходом А или Б крана 12, кинематически связанного с валом двигателя. Вход крана 12 подсоединен через плунжерный насос 13 и кран 14 к емкости 15 запаса холодной воды, соединенной с выходом радиатора 16, который может быть конструктивно и функционально совмещен с холодильником 17, работающим на теплоте конденсата или ПСТ. Радиатор соединен через кинематически связанный с валом двигателя кран 18 со сборниками 19, 20 конденсата, которые сообщаются с соответствующими рабочими камерами через отверстия, выполненные в нижней части цилиндров (цилиндры на чертеже повернуты на 90^о). Впускные коллекторы 21 через кран 22 соединены паропроводом 23 с ресивером 24, внутри которого установлен парогенератор 25. Парогенератор содержит камеру 26 сгорания с топливной форсункой 27, запальной свечой 28 и датчиком 29 температуры, змеевик-накопитель 30 и аккумулятор 31 теплоты. Змеевик-испаритель разделен на несколько параллельных змеевиков, входы которых объединены, а выходы выведены в полость ресивера. Для очистки внешней поверхности трубок испарителя 30 от нагара путем периодического обдува паром полость парогенератора соединена с полостью ресивера через предохранительный клапан 32 и сопла 33. Вход змеевика-испарителя подсоединен к выходу змеевика 34 предварительного подогрева цикловой дозы воды, разделенного на два участка. Начальный участок установлен в конце выпускной трубы 35, а конечный в начале. Вход змеевика 34 соединен через кран 36 режима работы с насосом 13 холодной воды или насосом 37 горячего конденсата, который соединен через кран 18 со сборниками 19, 20 конденсата. На вход крана 36 подают холодную воду при использовании топлива с высоким влагосодержанием, при низком влагосодержании топлива подают горячий конденсат. Кран 36 выполняет также функцию регулятора цикловой дозы воды, нагнетаемой в парогенератор, для чего он кинематически связан с системой регулировки мощности двигателя (не показано). Форсунка 27 соединены с топливным насосом (не показан) через теплообменник 38, обогреваемый конденсатом, и испаритель 39 топлива, помещенный в полость парогенератора. Ресивер, коллекторы, паропровод, теплообменник 38 термоизолированы и вместе с цилиндрами и частью выпускной трубы заключены в термоизолированный кожух 40, в полость которого нагнетают воздух (нагнетатель не показан). Внутри кожуха установлены дефлекторы (не показаны), равномерно распределяющие воздух в полости кожуха. В камеру сгорания воздух подают через впускную трубу 41, установленную внутри выпускной трубы.

Смазку цилиндро-поршневой группы осуществляют паром и водой. Зазоpы между цилиндром и поршнем при использовании для их изготовления материалов с близкими коэффициентами расширения могут быть минимальными, так как температуры поршня и цилиндра практически равны, что позволяет применить вместо поршневых колец лабиринтное уплотнение. Для восстановления износа трущихся поверхностей в двигателе использован известный способ восстановления путем прокачивания воды через вставку 42 из слаборастворимых солей плакирующих элементов. Ресивер 24 снабжен датчиком 43 температуры и датчиком 44 давления системы контроля и автоматики двигателя.

В холодном состоянии двигателя в его полости может проникнуть воздух, что нарушает стабильную работу водяных насосов. Для удаления воздуха из системы емкость 15 снабжена краном 45.

Двигатель может быть снабжен холодильным агрегатом, например, абсорбционного типа, что позволит регенерировать избыток теплоты, отводимой с конденсатом, и за счет снижения температуры охлаждающей воды повысить тепловой КПД двигателя и его топливную экономичность.

Работа двигателя.

В установившемся режиме работы двигателя при подходе поршней левого цилиндра к наружной мертвой точке (НМТ), а правого к внутренней мертвой точке (BMT) с некоторым опережением подают в рабочие камеры 10 и 11 соответственно левого и правого цилиндров перегретый пар. Пар поступает из ресивера 24 через открытый кран 22 управления мощностью, коллекторы 21 и открытые впускные окна 7 и 6 соответственно левого и правого цилиндра. Одновременно в полость 11 левого цилиндра и полости 10 правого впрыскивают холодную воду, которая нагнетается насосом 13 через распределительный кран 12 и форсунки группы А.

Во время обратного хода поршней в камерах сжатия происходит конденсация отработавшего пара и вытеснение конденсата с аккумулированной в нем теплотой парообразования в водосборнике, при этом часть конденсата для подогрева топлива пропускают через теплообменник 38, регенерируя теплоту. Из водосборников конденсат подают через кран 18 в приемный бачок радиатора 16. Часть горячего конденсата в количестве цикловой дозы нагнетают насосом 37 через кран 36 и змеевик 34 в испаритель 30, регенерируя теплоту. Оставшийся конденсат охлаждают, подогревая им воздух, нагнетаемый через радиатор в полость кожуха 40, возвращают в работу теплоту и подают в охлаждаемую емкость 15. В полости кожуха воздух нагревают, обдувая горячие поверхности цилиндров, коллекторов, выпускной трубы, регенерируют теплоту и подают через впускную трубу 41 в камеру сгорания. ПСТ последовательно омывают левую, затем правую часть испарителя 30, огибают при этом аккумулятор 31 теплоты и поступают в выпускную трубу 35, где омывают впускную трубу 41, отдавая воздуху теплоту. В выпускной трубе ПСТ отдают тепло воде, прокачиваемой через змеевик 34 в испаритель 30, регенерируя теплоту. В режиме использования высшей теплоты сгорания топлива на поверхность нижнего, более холодного участка змеевика 34 конденсируют пары воды из ПСТ. Выделяющуюся теплоту парообразования регенерируют, подогревая холодную воду в змеевике. Конденсат с растворенными в нем окислами может быть собран и утилизирован, что дополнительно снизит загрязнение окружающей среды.

Подогретое в теплообменнике 38 топливо перед подачей в камеру сгорания испаряют, пропуская его через теплообменник, при этом регенерируют теплоту ПСТ. Излишки тепла отводят с воздухом и ПСТ.

Давление в полости ресивера поддерживают автоматически на установленном уровне путем изменения количества топлива и воздуха, подаваемых в камеру сгорания. Изменяя порог срабатывания автоматики, можно в широких пределах изменять уровень максимальной мощности двигателя.

При выключенной системе автоматики или ее отказе, при появлении давления в ресивере выше установленного уровня, срабатывает предохранительный клапан 32 и часть пара стравливается через сопла 33 в полость парогенератора, очищая его трубки от нагара.

Управление мощностью двигателя может производиться с помощью крана 36 путем изменения количества воды, нагнетаемой в парогенератор, или с помощью крана 22 путем изменения количества пара, подаваемого в полости расширения цилиндров с одновременным изменением через систему автоматики подачи топлива и воздуха в камеру сгорания и охлаждающей воды в полости сжатия цилиндров.

Прогретый двигатель обладает свойством самопуска. Для пуска двигателя в нужном направлении вращения вала переключают механизм реверса (не показан) в требуемое положение, при этом золотники 8, 9 открывают впускные окна, соответствующие выбранному направлению вращения вала, а также переключают в соответствующее положение кулачки, управляющие толкателями золотников. Пуск двигателя производят, открывая кран 22 двигателя.

Прогрев двигателя осуществляют при закрытом кране 22 и включенных системах контроля и автоматики. Воздух в камеру сгорания подают с помощью электрокомпрессора или баллона со сжатым воздухом. После достижения в ресивере нужного уровня давления пара подачу топлива и воздуха в камеру сгорания автоматически отключают. При необходимости трубки парогенератора могут заполняться водой вручную от насоса 13.

При отпускании педали газа во время движения транспортного средства полностью выключенный двигатель переходит в режим принудительного холостого хода. Для улавливания пути движения по инерции кран 14 перекрывают с некоторой задержкой, обеспечивающей полную конденсацию паров воды в цилиндрах, что снижает сопротивление движению поршней.

В режиме торможения за счет кинематической связи педали тормоза с устройством реверса и педалью газа, при нажатии педали тормоза пар поступает в камеры сжатия цилиндров, увеличивая сопротивление движению поршней. Усилие торможения зависит от количества пара, поступающего в камеры сжатия цилиндров, которое определяется величиной перемещения педали тормоза. При отпускании педали тормоза устройство реверса автоматически возвращается в исходное положение.

Для движения задним ходом устройство реверса переключают с помощью ручного рычага, который может быть использован и для управления редуктором двигателя при разобщении вала и трансмиссии транспортного средства.

Полезный эффект от использования двигателя состоит в удовлетворении международных требований по токсичности ПСТ, шумовому и тепловому загрязнению окружающей среды, с возможностью работы на любом углеводородном топливе, в том числе на топливе с большим содержанием воды, в упрощении конструкции, снижении металлоемкости, габаритов, стоимости производства и эксплуатации двигателя и транспортного средства в целом, повышении их надежности и долговечности за счет отсутствия необходимых в прототипе систем и агрегатов, а именно громоздкого парового котла и конденсатора, сложного механизма газораспределения, агрегатов системы зажигания или системы впрыска топлива, карбюратора, стартера и стартового аккумулятора, водяной помпы, воздушного фильтра, выпускного коллектора, глушителя выхлопа, маховика, сцепления, коробки передач, в высоких удельных весовых и мощностных характеристиках, благоприятной зависимости крутящего момента от оборотов, с возможностью реверсирования вала двигателя, в надежном пуске двигателя при низкой температуре внешней среды, в снижении эксплуатационного расхода топлива и особенно масла; в повышении механического КПД двигателя, в возможности работать в любой природной среде при использовании автономных источников тепловой энергии. При использовании двигателя на транспортном средстве упрощается управление, улучшается динамика, плавность трогания с места, повышается надежность и эффективность системы торможения, в итоге повышается безопасность дорожного движения. Полезный эффект состоит в также в возможности повышения теплового КПД двигателя и его экономичности за счет использования теплоты конденсата для работы холодильника, используемого для понижения температуры охлаждающей воды, что позволит уменьшить габариты радиатора и понизить мощность нагнетателя воздуха.

При больших масштабах использования двигателя благодаря отмеченным достоинствам, особенно возможности работать на любом топливе, в том числе на сырой нефти, получен большой экономический эффект за счет сокращения масштаба глубокой переработки нефти и этилирования бензина, а также снижения загрязнения окружающей среды.

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя с внешним подводом теплоты путем испарения жидкости в парогенераторе за счет сжигания топлива в среде окислителя, периодической подачи образующегося пара в рабочую камеру паровой машины и отвода отработавшего пара в конденсатор с последующм возвратом конденсата в парогенератор, отличающийся тем, что отработавший в паровой машине пар перед подачей в конденсатор частично конденсируют в рабочей камере паровой машины путем распыления в рабочей камере на такте сжатия охлажденного конденсата.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что топливо перед подачей на сжигание подогревают за счет теплоты отработавшего пара и кондненсата, затем испаряют и перегревают за счет теплоты уходящих газов парогенератора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что отработавший в паровой машине пар используют в качестве теплоносителя для работы холодильника, например, абсорбционно-диффузионного типа, после чего пар конденсируют и охлаждают в испарительной камере холодильника и используют для охлаждения продуктов сгорания топлива и конденсации содержащихся в нем паров воды, используя выделяющуюся при этом теплоту парообразования и теплоту продуктов сгорания топлива для подогрева конденсата рабочего тела, нагнетаемого в парогенератор.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве источника тепловой энергии для работы холодильника используют продукты сгорания топлива.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют атмосферный воздух, которым перед подачей его для сжигания топлива охлаждают теплоизлучающие поверхности конденсатора или холодильника, а затем поверхности агрегатов паросиловой установки, заключенные в кожух, после чего воздух нагревают за счет теплоты уходящих газов.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что полученный из продуктов сгорания топлива конденсат с растворенными в нем окислами углерода, азота и серы утилизируют.

7. Двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий соединенные между собой парогенератор с патрубками подвода конденсата и отвода пара, подачи топлива и окислителя, конденсатный насос, конденсатор, объемную паровую машину, регенеративный теплообменник рабочего тела, установленный в тракте уходящих газов парогенератора, воздухонагреватель, форсунки впрыска конденсата рабочего тела в цилиндр, отличающийся тем, что он дополнительно содержит подогреватель и испаритель топлива, ресивер перегретого пара, второй конденсатный насос, кран режима работы регенеративного теплообменника, кран-распределитель конденсата по форсункам, емкость охлажденного конденсата, причем паровая машина выполнена двухцилиндровой, в каждом цилиндре оппозитно установлены по два поршня, кинематически связанных между собой через механизм преобразования, форсунки для впрыска конденсата, патрубки подвода из ресивера пара и отвода отработавшего пара в конденсатор установлены на цилиндрах вблизи внутренней и внешних мертвых точек, форсунки подсоединены через кран-распределитель и конденсатный насос к емкости охлажденного конденсата, регенеративный теплообменник подсоединен через кран режима работы и насосы охлажденного и горячего конденсата к емкости охлажденного конденсата и конденсатору, подогреватель топлива по греющей среде подсоединен к патрубкам отвода пара из цилиндров, а испаритель топлива установлен в тракте уходящих газов парогенератора.

8. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что в качестве конденсата использован холодильник, например, абсорбционно-диффузионного типа, при этом вход подогревателя холодильника подсоединен к патрубку отвода пара из цилиндров, а выход через холодильную камеру соединен с емкостью охлажденного конденсата.

9. Двигатель по пп.7 и 8, отличающийся тем, что воздухонагреватель выполнен трехступенчатым, причем в качестве первой ступени служат теплообменные поверхности конденсатора и холодильника, второй наружные тепловыделяющие поверхности агрегатов установки, а третьи поверхность теплообмена регенеративного теплообменника, установленного в тракте уходящих газов парогенератора.

10. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что ресивер, цилиндры, часть выпускной трубы, подогреватель топлива заключены в теплоизолирующий кожух.

11. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что в газоходе парогенератора установлен аккумулятор теплоты с теплоемкой массой, например, на основе фтористого лития, корпус которого оребрен и имеет каналы для прохода газов.

12. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что в трубопроводе, соединяющем емкость охлажденного конденсата с форсунками впрыска конденсата в рабочие камеры цилиндров, установлена проточная вставка, заполненная плакирующим материалом.

13. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что на паропроводе, соединяющем парогенератор с паровой машиной, установлена запорно-регулирующая арматура.

РИСУНКИ

Рисунок 1