Теплоутилизационное устройство поршневого двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для утилизации тепла поршневого двигателя внутреннего сгорания. Техническая задача изобретения - повышение экологической безопасности и эффективности устройства. Технический результат достигается тем, что устройство состоит из охлаждающей рубашки с встроенным сепаратором пара, эжектора, конденсатора, испарителя, насоса, соединенных между собой паропроводами и конденсатопроводами, выхлопного трубопровода с сильфоном и упругим элементом, соединенными передаточным механизмом с рабочим органом насоса. 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и, в частности, к устройствам для утилизации тепла поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Известно устройство для комплексной утилизации тепла двигателя внутреннего сгорания, содержащее контур жидкостного охлаждения двигателя водоводяным теплообменником, два газоводяных теплообменника, установленные в выхлопной магистрали, замкнутый контур промежуточного теплоносителя с циркуляционным насосом и незамкнутый контур горячего водоснабжения [1].

Недостатками известного устройства являются наличие циркуляционного насоса и невозможность получения охлажденного теплоносителя, что усложняет конструкцию и снижает эффективность работы.

Более близкой к предлагаемому изобретению является система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая рубашку охлаждения двигателя, связанную паропроводом и конденсатопроводом с конденсатором, который размещен внутри испарителя и связан паропроводом с эжектором, установленным в выхлопном трубопроводе, а также подпиточным трубопроводом с насосом и расходной емкостью [2].

Недостатками известной системы являются размещение эжектора в выхлопном трубопроводе двигателя, что влечет за собой унос значительной части охлаждающей жидкости с выхлопными газами в окружающую атмосферу, связанных с этим необходимостью постоянной подпитки охлаждающей жидкостью, установки расходной емкости, подпиточного насоса, низкой степенью утилизации тепла, удаляемого в конутре охлаждения, что усложняет конструкцию системы, снижает ее экологическую безопасность и эффективность.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение экологической безопасности и эффективности процесса утилизации тепла путем исключения выброса рабочей жидкости в атмосферу, более полного использования отводимого тепла и механической энергии выхлопных газов.

Поставленная задача реализуется в теплоутилизационном устройстве поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающем рубашку охлаждения двигателя, встроенный в крышку рубашки охлаждения сепаратор пара, эжектор, конденсатор, испаритель, соединенные между собой паропроводами, насос, соединенный с конденсатором, испарителем, рубашкой охлаждения конденсатопроводами с дросселем, выхлопной трубопровод, встроенный в него тройник 90^o, первый прямой патрубок которого соединен с концом предыдущего участка выхлопного трубопровода, боковой патрубок соединен с последующим участком выхлопного трубопровода, а второй прямой патрубок закрыт сильфоном с упругим элементом, который связан с рабочим органом насоса (мембрана, поршень и пр.) при помощи какого-нибудь передаточного механизма, обеспечивающего движение рабочего органа насоса, например, шарнирно через шток.

Техническим результатом изобретения является использование тепла, выделяемого поршневым двигателем внутреннего сгорания, и механической энергии выхлопных газов для получения горячего и холодного теплоносителей путем испарения охлаждающей жидкости в рубашке охлаждения, эжектирования, конденсации полученного пара, частичного испарения конденсата, подачи конденсата в рубашку охлаждения циркуляционным насосом, приводимым в действие механической энергией выхлопных газов.

На чертеже представлено теплоутилизационное устройство поршневого двигателя внутреннего сгорания (далее двигателя) 1. Теплоутилизационное устройство содержит рубашку охлаждения 2 двигателя 1, встроенный в крышку рубашки 2 сепаратор пара 3, эжектор 4, конденсатор 5, испаритель 6, соединенные между собой паропроводами 14, 15, 16 соответственно, насос 7, соединенный с конденсатором 5, испарителем 6, рубашкой охлаждения 2 конденсатопроводами 17, 18, 19 с дросселем 20 соответственно, выхлопной трубопровод 8 с встроенным в него прямым тройником 90^o 9, первый прямой патрубок которого соединен с концом предыдущего участка выхлопного трубопровода 8, боковой патрубок соединен с последующим участком выхлопного трубопровода 8, а второй прямой патрубок тройника 9 закрыт сильфоном 10 с упругим элементом 11, который связан с рабочим органом 13 (мембрана, поршень и пр.) насоса 7 при помощи какого-нибудь передаточного механизма, обеспечивающего возвратно-поступательное или вращательное движение рабочего органа 13, например, шарнирно через шток 12.

В основу работы предлагаемого теплоутилизационного устройства положен принцип действия эжекторной холодильной машины [3, с. 167] в сочетании с особенностью работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, а именно, цикличностью выпуска продуктов сгорания в выхлопной коллектор с частотой, равной или прямо пропорциональной числу оборотов двигателя [4, с. 77], и давлением (10-20) КПа, достаточным для работы привода насоса.

Теплоутилизационное устройство поршневого двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.

Перед началом работы двигателя система охлаждения заполняется рабочей жидкостью, в качестве которой могут быть использованы вода, водные растворы, хладоны в зависимости от особенностей двигателя и требуемых параметров теплоносителей, таким образом, чтобы была заполнена рубашка охлаждения 2, насос 7, конденсатопроводы 17, 18, 19, создан некоторый запас рабочей жидкости в конденсаторе 5 и удален воздух из системы.

После начала работы двигателя 1 рабочая жидкость начинает перемещаться по вертикальным полостям рубашки охлаждения 2 вверх за счет сил естественного циркуляционного давления P_e аналогично движению жидкого теплоносителя в системах отопления [5, с. 300], создавая тем самым общее движение рабочей жидкости в контуре охлаждения и выделяя пар в сепаратор пара 3 с постепенным повышением его давления до рабочего P₁. Далее пар из сепаратора 3 при давлении P₁ по паропроводу 14 поступает в эжектор 4, который засасывает вторичный пар через паропровод 16 из испарителя 6, создавая там разрежение P₃, в результате которого происходит снижение температуры кипения рабочей жидкости в испарителе 6, ее испарение при пониженной температуре за счет тепла q₁, передаваемого от теплоносителя через стенку, охлаждаемого таким образом до требуемой температуры. Пар из эжектора 4, представляющий собой смесь пара из сепаратора 3 и испарителя 6 с давлением P₂, которое больше давления в испарителе 6 P₃ и меньше давления P₁ в сепараторе 3, через паропровод 15 поступает в конденсатор 5, где конденсируется, отдавая тепло q₂ через стенку теплоносителя, нагревая его таким образом до требуемой температуры, а полученный конденсат по конденсатопроводу 17 поступает в насос 7, где его давление повышается от P₂ до P₁ и подается по конденсатопроводу 19 в днище рубашки охлаждения 2, причем часть его через дроссель 20, снижающий давление конденсата от P₁ до P₃, поступает в испаритель 6, где испаряется и отсасывается эжектором 4. Параллельно описываемому процессу продукты сгорания двигателя 1 поступают в выхлопной трубопровод 8 и в соединенные с ним тройник 9 и сильфон 10, расположенный коаксиально начальному участку выхлопного трубопровода 8, периодически повышая давление внутри сильфона 10 за счет цикличности выпуска продуктов сгорания двигателя 1, превращения кинетической энергии потока газа при прямом ударе его о внутреннюю поверхность торцевой стенки сильфона 10 в потенциальную энергию давления [6, с. 224], упругой конструкции сильфона 10 с упругим элементом 11 [7, с. 263], в результате чего осуществляется возвратно-поступательное движение сильфона 10 вдоль оси начального участка трубопровода 8, меняющего знак направления движения с частотой, равной частоте выпуска газов из двигателя 1, на расстояние δ, обусловленное конструкцией сильфона 10 и упругостью упругого элемента 11, приводя тем самым в движение привод насоса 7, например, заставляя соединенный с сильфоном 10 и упругим элементом 11 шток 12, прикрепленный к мембране 13 насоса 7, совершать возвратно-поступательное движение, в результате чего насос 7 подает конденсат из конденсатора 5 в рубашку 2, повышая давление конденсата от P₂ до P₁ и испаритель 6. При этом сильфон 10 одновременно выполняет функцию конденсатора гидравлических ударов [6, с. 191], гася колебания давления газа на последующем за ним участке выхлопного трубопровода 8, в результате чего исчезает вибрация на этом участке и увеличивается надежность узлов крепления, стыковки и герметизации газового тракта.

Давление и производительность, развиваемые насосом 7, зависят от конструкции сильфона 10, упругого элемента 11, привода 12, насоса 7, мощности двигателя 1, количества продуктов сгорания (выхлопных газов), числа оборотов двигателя 1, что позволяет обеспечить автоматическое регулирование работы системы охлаждения путем изменения кратности циркуляции рабочей жидкости в зависимости от изменения мощности двигателя 1.

Таким образом, в предлагаемом теплоутилизационном устройстве поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляются охлаждение двигателя 1, утилизация тепла, отводимого в процессе его охлаждения и механической энергии выхлопных газов с получением горячего и холодного теплоносителей.

Литература 1. Авт. св. СССР N 1687834, М.Кл. F 02 G 5/00, 1991.

2. Авт. св. СССР N 1348541, М.Кл. F 02 G 3/22, 1987.

3. А.И. Азаров и др. Холодильные машины. Справочник, М. Легкая и пищевая промышленность, 1982, 220 с.

4. А.А. Щукин и др. Теплотехника, М.: Металлургия, 1973, 480 с.

5. В.Н. Богословский, А.Н. Сканави, Отопление, М.: Стройиздат, 1991, 736 с.

6. А. А. Учинчус, Гидравлика и гидравлические машины. Х. Харк. ун-т, 1966, 400 с.

7. А. А. Калмаков и др. Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции, М.: Стройиздат, 1986, 480 с.

Формула изобретения

Теплоутилизационное устройство поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающее рубашку охлаждения двигателя, связанную паропроводом и конденсатопроводом с конденсатором, эжектор, связанный паропроводом с испарителем, насос, выхлопной трубопровод, отличающееся тем, что в крышку рубашки охлаждения встроен сепаратор пара, эжектор связан паропроводами с сепаратором пара и конденсатором, конденсатопровод снабжен насосом и через дроссель соединен с испарителем, в выхлопной трубопровод встроен прямой тройник 90^o, первый прямой патрубок которого соединен с концом предыдущего участка выхлопного трубопровода, боковой патрубок соединен с последующим участком выхлопного трубопровода, а второй прямой патрубок закрыт сильфоном с упругим элементом, который связан с насосом передаточным механизмом, обеспечивающим движение рабочего органа насоса.

РИСУНКИ

Рисунок 1