Способ повышения кпд двигателя внутреннего сгорания за счет утилизации тепловой энергии двигателя

 

Способ повышения коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания за счет утилизации тепловой энергии двигателя, который включает цилиндр с поршнем, шатунное устройство, коленчатый вал, системы питания, охлаждения и смазки, рядом с цилиндром под углом V-образно или последовательно устанавливают паровой цилиндр с поршнем, который связывают шатуном с общим коленчатым валом, отработавшие горячие газы цилиндра двигателя направляют для обогрева головки парового цилиндра, причем газопровод, головку парового цилиндра теплоизолируют, разогревают головку парового цилиндра до 374 - 500^oC и впрыскивают в нее воду один раз за оборот коленчатого вала в момент нахождения поршня в верхней мертвой точке, головку парового цилиндра выполняют в виде теплообменника из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Данное техническое решение позволяет существенно увеличить КПД двигателя внутреннего сгорания и улучшить его экологические параметры. 1 ил.

Разновидностей двигателей внутреннего сгорания существует достаточно много, как на основе сгорания топлива в виде бензина, газа, так и керосина и солярового и др. масел. Однако КПД таких двигателей не превышает 44% (большая энциклопедия, М., 1972).

Работа цилиндра двигателя, например, ГАЗ-21 состоит в следующем.

Поршень, опускаясь из ВМТ в НМТ, всасывает бензино-воздушную смесь в соотношении 1: 15 по массе. Перемещаясь от НМТ к ВМТ, бензино-воздушную смесь он сжимает до 6,7 кгс/см², затрачивая на это некоторую работу и поднимая температуру смеси приблизительно до 200^oC. В сжатом состоянии топливная смесь поджигается, в результате чего в камере сжигания развивается температура около 2000^oC и давление 30 - 60 кгс/см². Поршень под действием продуктов сгорания движется вниз, приводят во вращательное движение коленчатый вал двигателя. При движении от НМТ к ВМТ поршень выталкивает продукты сгорания из цилиндра наружу.

Двигатель автомобиля ГАЗ-21 развивает 4000 об/мин и мощность 55 кВт (75 л.с.). Объем цилиндра равен 610 мл или 0,61 л.

Полагая, что в среднем состав бензина определяется соединением C₁₀H₂₂ при интервале состава соединений бензина C₅H₁₂ - C₁₇H₃₆ (Краткая химическая энциклопедия. М. , 1965, статья "Предельные углеводороды"), найдем массу топлива, сгораемую в единичном акте взрыва одного цилиндра ДВС.

Молекулярная масса воздуха 29 г. Молекулярная масса топлива (C₁₀H₂₂) равна 142 г. Поскольку один моль любого химического вещества в газообразном состоянии занимает объем 22,4 л, то один грамм топлива занимает объем 15 г воздуха занимают объем 1 г топлива и 15 г воздуха занимают объем V_т+В = 0,16 + 11,6 = 11,76 л.

Отсюда в одном цилиндре объемом 0,61 л будет находиться масса топлива Сгорание такого количества топлива при теплотворной способности 10500 ккал/кг позволяет получать энергию 5,2 · 10^-5· 10500 = 0,55 ккал.

Этого количества энергии достаточно, чтобы вскипятить 5,5 мл воды с начальной температурой 0^oC.

При числе оборотов вала двигателя 40000 об/мин каждую секунду двигатель вырабатывает
Практически вся тепловая энергия двигателя через теплообменник и систему отвода газов выбрасывается в атмосферу.

В целях повышения КПД двигателя авторы предлагают использовать бросовую тепловую энергию для повышения мощности двигателя. На чертеже приведена схема двигателя внутреннего сгорания. Для этого рядом с цилиндром двигателя внутреннего сгорания 1, под углом, V-образно или последовательно устанавливают паровой цилиндр 2 с поршнем 3, связанным шатуном с общим коленвалом 4.

Горячие газы, выбрасываемые из цилиндра ДВС 1, направляют для нагрева головки парового цилиндра 2, выполненной в виде теплообменника из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, например из латуни (Cu 65, Zn 35) так, чтобы она могла быстро отдать большое количество тепла. Для экономии тепловой энергии газопровод и головку парового цилиндра вместе с паровым цилиндром покрывают теплоизоляцией 6.

Внутренний объем головки должен иметь развитую поверхность, иметь свободный объем приблизительно 0,05 и впрыскивающее устройство 5.

Работа паротопливного ДВС может быть понятна из следующего описания. Запускают ДВС на топливе. При этом отработавшие горячие газы прогревают головку парового цилиндра и сам цилиндр. Благодаря теплоизоляции температура головки может достигать 500^oC и выше. В головке парового цилиндра при нахождении поршня в ВМТ впрыскивают, например, 1 г (мл) подогретой в водной рубашке ДВС воды.

Мгновенно испаряясь, вода полностью переходит в пар, объем которого составит

При внутреннем объеме головки 0,05 л давление пара составит 1,25 л : 0,05 = 25 кгс/см², что уже близко к давлению в камере сгорания ДВС. За счет разогрева пара до температуры, близкой к температуре головки парового цилиндра, давление еще значительно увеличится, а именно в число раз
t^oC/273^oC
и достигнет порядка 50 кгс/см².

При геометрических параметрах парового цилиндра, близких к параметрам цилиндра ДВС, будет получено усилие на коленвалу, близкое к усилию от цилиндра ДВС, т.е. мощность двигателя приблизительно удвоится.

В головку парового цилиндра можно подать больше, чем 1 г воды, т.к. запаса энергии, выбрасываемой из цилиндра ДВС за один акт сгорания топлива, достаточно для испарения большего количества воды, как указывалось ранее.

Важно отметить, что при температуре выше 374^oC скрытая теплота испарения равна нулю (Некрасов Б. В. Курс общей химии, издание 9, М. - Л., 1952, с. 137).

Паровой цилиндр не требует расхода энергии на сжатие, но только на возвращение поршня в исходное состояние в ВМТ при открытом клапане выхлопа отработавшего пара.

Настоящее техническое решение позволяет существенно увеличить КПД ДВС и улучшить его экологические параметры.

Формула изобретения

Способ повышения КПД двигателя внутреннего сгорания за счет утилизации тепловой энергии двигателя, включающего цилиндр с поршнем, шатунное устройство, коленчатый вал, системы питания, охлаждения и смазки, отличающийся тем, что рядом с цилиндром двигателя внутреннего сгорания под углом V-образно или последовательно устанавливают паровой цилиндр с поршнем, который связывают шатуном с общим коленчатым валом, отработавшие горячие газы цилиндра двигателя внутреннего сгорания направляют для обогрева головки парового цилиндра, газопровод, головку парового цилиндра теплоизолируют, разогревают головку парового цилиндра до 374 - 500^oC и впрыскивают в нее воду один раз за оборот коленчатого вала в момент нахождения поршня в верхней мертвой точке, головку парового цилиндра выполняют в виде теплообменника из материала с высокими теплопроводимостью и теплоемкостью.

РИСУНКИ

Рисунок 1