Способ работы поршневого теплового двигателя казанцева

 

Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет повысить КПД теплового двигателя. Способ работы поршневого теплового двигателя заключается в том, что воздух сжимают до конечного давления, вводят в него топливо, смешивают их и сжигают в камере сгорания при конечном давлении, после чего рабочее тело расширяют и преобразуют его энергию в механическую работу. При этом воздух сжимают в компрессоре и нагнетают во внешнюю камеру сгорания, топливо вводят также во внешнюю камеру сгорания, продукты сгорания аккумулируют и охлаждают жидкостью, подогретой теплом из системы охлаждения двигателя в пределах от максимальной температуры сгорания до температуры, назначаемой оператором двигателя. Давление охлажденного рабочего тела удерживают в пределах, максимально приближенных к конечному давлению сжатия воздуха, а охлаждающую жидкость преобразуют в пар высокого давления и высокой температуры. Тепло рабочего тела, выпускаемого из поршневых цилиндров, используют при генерации пара, а горячие поверхности двигателя защищают тепловой изоляцией от выхолаживания. 8 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к тепловым двигателям различного назначения, в частности к автотракторным двигателям.

Известен способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС), который состоит в том, что топливовоздушную рабочую среду вводят в поршневой цилиндр, где ее сжимают до 4 МПа, не более, воспламеняют, расширяют и преобразуют энергию продуктов сгорания в механическую работу. При этом горячие стенки поршневых цилиндров охлаждают атмосферным воздухом. Недостаток этого способа состоит в том, что низкое давление сжатия и отвод тепла от стенок цилиндров в атмосферу обуславливают низкий КПД ДВС, который составляет не более 30%, а также в том, что воздушное охлаждение не надежно (1).

Известен способ работы поршневого ДВС, где в поршневой цилиндр вводят воздух и сжимают, затем вводят топливо, которое от высокой температуры сжатия самовоспламеняется. После чего продукты сгорания расширяют, а их энергию преобразуют в механическую работу. При этом горячие стенки поршневых цилиндров омывают, а саму жидкость охлаждают атмосферным воздухом. Этот способ позволяет повысить давление сжатия до 8 МПа и выше и повысить надежность системы охлаждения ДВС.

Недостаток этого способа работы теплового двигателя заключатся в том, что более 50% тепла отводится из двигателя не рационально. То есть около 30% тепла уносится в атмосферу охлаждающей жидкостью и около 20% тепла выбрасывается в атмосферу с отработавшими продуктами сгорания. КПД этого двигателя не превышает 40% (2 - прототип).

Известен способ работы комбинированного ДВС, включающего цилиндропоршневой и турбинный двигатели. Суть способа состоит в том, что в цилиндропоршневом двигателе эффективно преобразуют в механическую работу малые объемы продуктов сгорания при высоких давлениях, затем продукты сгорания передают в турбину, где эффективно преобразуют в механическую работу большие объемы продуктов сгорания при низких давлениях. При этом мощность, снимаемую с вала турбины, используют в компрессоре наддува, которым нагнетают воздух в поршневые цилиндры, на такте впуска, с давлением до 0,5 МПа. Горячие стенки здесь также омывают охлаждающей жидкостью, а эту жидкость охлаждают атмосферным воздухом. Этот способ позволяет поднять давление сжатия до 12 МПа и выше и расширить нижний предел использования давления продуктов сгорания. Однако и этот способ не позволяет поднять КПД использования тепла продуктов сгорания выше 50% (3).

Целью изобретения является повышение КПД двигателя за счет более полного использования тепла продуктов сгорания.

Эта цель достигается благодаря тому, что воздух сжимают до конечного давления в компрессоре, после чего его нагнетают во внешнюю камеру сгорания конечного давления сжатия, топливо вводят также во внешнюю камеру сгорания, где его смешивают со сжатым воздухом и сжигают при конечном давлении и максимальной температуре, после чего продукты сгорания накапливают (аккумулируют) и охлаждают жидкостью в пределах от максимальной температуры сгорания до температуры, назначаемой оператором двигателя, при этом давление охлажденного рабочего тела удерживают в пределах, максимально приближенных к конечному давлению сжатия воздуха, а охлаждающую жидкость преобразуют в пар высокого давления и высокой температуры в пределах, установленных оператором двигателя, после чего рабочее тело нагнетают в поршневые цилиндры двигателя, в начале такта “Рабочий ход”, где его расширяют и преобразуют в механическую работу. Кроме того, тепло рабочего тела, выпускаемого из поршневых цилиндров, используют при генерации пара. Продукты сгорания аккумулируют в объеме не менее двадцати цикловых объемов. Горячие поверхности двигателя защищают от выхолаживания тепловой изоляцией. Продукты сгорания и пар смешивают друг с другом, а затем используют в поршневых цилиндрах. Пар генерируют и используют отдельно от продуктов сгорания. Часть топлива сжигают внутри поршневых цилиндров. Пар используют в непоршневом двигателе. Температуру рабочего тела, подаваемого в поршневые цилиндры, удерживают в пределах от 1000 до 1700°С. Охлаждающую жидклсть перед введением в парогенератор подогревают теплом из системы охлаждения двигателя. Предлагаемая последовательность работы поршневого двигателя в известных аналогах не обнаружена. Таким образом предложенное техническое решение соответствует критерию “Новизна”.

Анализ известных технических решений в области поршневых двигателей позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение позволяет полнее использовать тепло продуктов сгорания и на этой основе повысить КПД двигателя и сократить выброс в атмосферу продуктов сгорания на 25-30%. Это представляет собой определенный шаг в развитии техники, т.е. обуславливает техническому решению соответствие критерию “ Изобретательский уровень”

На фиг.1 и 5 представлены графические изображения цикла работы поршневого двигателя в системе координат (p - давление, V - объем) - вариант 1, где в качестве рабочего тела применяют газопаровую среду.

На фиг.2 и 6 - схемы поршневого двигателя для реализации способа на фиг.1 и 5.

На фиг.3 - то же, что и на фиг.1 в варианте 2, когда в качестве рабочего тела цилиндропоршневой части двигателя применяют продукты сгорания, а парообразное рабочее тело используют в паровом двигателе.

На фиг.4 - схема поршневого двигателя для реализации способа на фиг.3.

Вариант 1. Атмосферный воздух вводят в компрессор 1 низкого давления (фиг.2 и 6) по линии ab на диаграмме (фиг.1 и 5), сжимают по линии bc и нагнетают его по линии ССр в охладитель воздуха 2, которым интенсивно отводят тепло qox1 от сжимаемого воздуха. Процесс сжатия приближен к изотермическому. Из охладителя 2 воздух нагнетают в компрессор 3 высокого давления по линии CCp, которым его адиабатически сжимают по линии cd до максимального давления сжатия pd и изобарически нагнетают во внешнюю камеру сгорания 4 по линии de. Работы нагнетания, отрицательная CCpaCvC и положительная CpCCvaCp компенсируют друг друга. Горячие стенки компрессора 3 охлаждают, а тепло qox2 используют. Вводят по каналу 5 во внешнюю камеру сгорания 4 топливо qт1, смешивают его со сжатым воздухом и сжигают в объеме aeff’a. Камеру 4 свободно соединяют каналом 7 с парогенератором 8, тем самым обеспечивают одинаковое давление в камере 4 и парогенераторе 8. Температуру продуктов сгорания в камере 4 поддерживают на высоком уровне, чем обеспечивают высокий термический КПД. В парогенератор 8 впрыскивают по каналу 9 предварительно подогретую в системе охлаждения 10 жидкость qox. Эту жидкость (воду) смешивают с продуктами сгорания и превращают в пар, выравнивают их давления и температуры. Конкретную величину температуры парогазового рабочего тела удерживают (в пределах, задаваемых оператором двигателя) путем увеличения или уменьшения количества вводимой в парогенератор 8 воды. Эта температура может колебаться в широких пределах в зависимости от факторов: технических (жаростойкость металла), экономических (расход топлива) и атмосферных (тепло, холод). 35% воды от массы воздуха позволяет снизить температуру газа на 1300°С. Охлажденное рабочее тело накапливают в парогенераторе 8 от 20 до 100 и более цикловых объемов. Сто цикловых объемов рабочего тела удерживают колебания давлений в парогенераторе 8 и, следовательно, во внешней камере сгорания 4 в пределах 1%. В свою очередь снижение амплитуды колебаний давления во внешней камере сгорания 4 обуславливает снижение потерь работы компрессора 3 на нагнетание в нее воздуха.

Работа цилиндропоршневой группы может выполняться тремя вариантами.

Вариант 1a - когда в цилиндр 11 поступает парогазовое рабочее тело только по каналу 17, т.е. когда цилиндр 11 работает как двигатель внешнего сгорания, как пневматический или как паровой двигатель.

Вариант 1б - когда в цилиндр 11 поступает рабочее тело только по каналам 12 и 15, т.е. когда цилиндр 11 работает как самостоятельный двигатель внутреннего сгорания.

Вариант 1в - когда в цилиндр 11 подают рабочее тело как по каналу 17, так и по каналам 12 и 15, то есть когда цилиндр 11 работает в комбинированном режиме - как двигатель внутреннего и внешнего сгорания.

Работу цилиндра 11 в основном варианте 1а применяют, когда необходимо обеспечить наибольший КПД. Работу цилиндра 11 по варианту 1б применяют в случае отсутствия воды и перед длительной остановкой работы цилиндра 11, с целью предотвращения его ржавления. Однако с этой целью может обойтись и работа цилиндра 11 по варианту 1а. Для чего давление во внешней камере сгорания 4 и, естественно, в парогенераторе 8 снижают в 2-4 раза и ниже, а подачу воды в парогенератор прекращают. Работу цилиндра 11 в варианте 1в осуществляют с целью повышения мощности.

Пример осуществления работы цилиндра 11 по варианту 1в. В поршневой цилиндр 11 вводят по каналу 12, линия kl на диаграмме фиг.1, атмосферный воздух, которым вытесняют (продувка) из цилиндра 11 по каналу 16 использованное ранее рабочее тело. Оставшийся свежий заряд воздуха адиабатически сжимают в цилиндре 11 поршнем 14 по линии lm до давления в 2-4 раза меньшего, чем давление во внешней камере сгорания 4. При подходе к верхней мертвой точке поршня 14 в цилиндр 11 подают по каналу 15 топливо qт2, смешивают его со сжатым воздухом и сжигают, линия mn. Этот процесс соответствует варианту 1б, если дополнить его процессом расширения. В описываемом случае варианта 1в, одновременно, при начале хода поршня 14 в сторону нижней мертвой точки, в цилиндр 11 нагнетают изобарически по линии hnr из парогенератора 8 по каналу 17 рабочее тело qпг (парогазовая среда), давление которого в 2-4 раза выше давления продуктов qт2, сжигаемых внутри цилиндра 11. После чего суммарное рабочее тело, qпг плюс qт2, адиабатически расширяют по линии rs в цилиндре 11, а по линии sl вытесняют из цилиндра 11 по каналу 16 продувочным воздухом, вдуваемым в цилиндр 11 в районе нижней мертвой точки поршня 14, по каналу 12, линия kl на фиг.1. Цикл повторяют.

Вышеописанное соответствует работе двухтактного двигателя. Однако двигатель может работать и в четырехтактном режиме. Это зависит от конструкции системы распределения. Работа четырехтактного двигателя в данном описании не приводится. Запуск двигателя может осуществляться различными способами. Первичный запуск осуществляют стартерным приводом от аккумуляторной батареи либо от рукоятки заводной. Вторичный запуск, когда произведено аккумулирование рабочего тела в парогенераторе, выгодно осуществляют с помощью конденсаторного привода, т.к. необходимо лишь преодолеть мертвую зону до начала впуска в цилиндр 11 порции рабочего тела из парогенератора, аккумулирующего от 20 и более цикловых объемов сжатого тела. Вторичный запуск двигателя, состоящего из 8 и более цилиндров, осуществляют путем открытия канала 17. Это обусловлено тем, что если зона впуска рабочего тела qпг по каналу 17, линия hnr, в цилиндре 11 составляет 45° и более, =(360/45=8 цилиндрам), то один из них будет обязательно соединен с парогенератором 8 каналом 17. Таким образом при 8 и более цилиндрах двигатель, аккумулирующий более 20 цикловых объемов рабочего тела, не нуждается в стартерной системе пуска и не имеет потребности в холостых оборотах. Это, при эксплуатации его на транспортных средствах, эксплуатируемых в населенных пунктах, позволит получить дополнительную экономию топлива, по расчетам специалистов, до 10%.

Вариант 2. Атмосферный воздух вводят в компрессор 3 (фиг.4) по линии a на диаграмме (фиг.3), сжимают по линии bd и нагнетают во внешнюю камеру сгорания 4 по линии dе через охладитель воздуха 2, которым интенсивно отводят тепло qox1 от сжимаемого воздуха. После чего по каналу 5 вводят во внешнюю камеру сгорания 4 топливо qт, смешивают его со сжатым воздухом и сжигают в объеме aeff’a камеры сгорания 4. Затем продукты сгорания аккумулируют в объеме ff’hh’f’ камеры 6, который свободно соединен с камерой 4, а потому образует с ней общий объем aefhh’f’a, равный не менее 20 цикловых объемов продуктов сгорания. Аккумулирующую большой объем продуктов сгорания камеру 6 размещают внутри парогенератора 8, в который по каналу 9 из системы охлаждения 10 вводят охлаждающую жидкость (воду) qox, распыляют ее на стенки камеры 6 и испаряют. Таким образом в варианте 2 создают два раздельных рабочих тела: газообразное - продукты сгорания qг в объеме aefhh’f’a’ и парообразное qп в объеме h’tukh’.

Продукты сгорания qг объема ff’hh’f’ нагнетают по каналу 17 в поршневой цилиндр 11, линия кr, изобарически и по линии rs расширяют в цилиндре 11 адиабатически, т.к. тепло, затраченное на нагрев охлаждающей воды qox2, используется в парогенераторе, стрелка qox, где qox=Σqox1+qox2+qox3+qв1 - есть утилизированное в двигателе тепло, которое в прототипе безвозмездно теряется на нагрев атмосферы. С целью сохранения тепла горячие стенки элементов двигателя защищены от выхолаживания тепловой изоляцией 18. Тепло qв1, отработанных в результате расширения продуктов сгорания в цилиндре 11 выводят из него по линии sк на диаграмме и используют вторично в парогенераторе 8, стрелка qox_. Тепло qп, генерированное парогенератором 8 в объеме h’tuкh’, используют в дополнительном паровом двигателе 19. Температура и давление пара в парогенераторе 8 имеют прямую зависимость от интенсивности работы внешней камеры сгорания 4. Однако температура и давление в аккумулирующей камере 6 имеют обратную зависимость от количества воды, введенной в парогенератор 8. Таким образом температурным режимом газообразного рабочего тела qг, вводимого в цилиндр 11, управляют путем изменения количества воды, вводимой в парогенератор 8. То есть, чем больше воды qox вводят в парогенератор 8, тем больше тепла qoкc отводят стенки камеры 6 от продуктов сгорания, тем ниже их температура, тем легче температурный режим работы цилиндра 11 и поршня 14. При этом образующуюся тепловую энергию пара qп используют в дополнительном двигателе 19, который может быть как турбинным, наиболее полно использующим большие объемы при малых давлениях пара, так и поршневым, передающим мощность (энергию) как отдельному потребителю, так и коренному валу поршневого двигателя.

Таким образом предложенный способ работы поршневого теплового двигателя повышает КПД его работы до 65-70%, на основе использования тепла, передаваемого стенками двигателя, и тепла, уходящего с выбрасываемыми газами.

Источники информации

1. Е.В.Михайловский, К.Б.Серебряков "Автомобили". - М.: Машиностроение, 1968 г., стр.88-90, "Воздушная система охлаждения”.

2. То же, стр.70-74 “Жидкостная система охлаждения”.

3. Теплотехника./Под общей ред. В.И.Крутова, М., Машиностроение, 1986 г., стр.222, рис.5.3.

Формула изобретения

1. Способ работы поршневого теплового двигателя, состоящий в том, что воздух сжимают до конечного давления сжатия, вводят в него топливо, смешивают с топливом и сжигают в камере сгорания при конечном давлении, после чего рабочее тело расширяют и преобразуют его энергию в механическую работу поршня, отличающийся тем, что воздух сжимают до конечного давления сжатия в компрессоре, после чего его нагнетают во внешнюю камеру сгорания конечного давления сжатия, топливо вводят также во внешнюю камеру сгорания, где его смешивают со сжатым воздухом и сжигают при конечном давлении и максимальной температуре, после чего продукты сгорания аккумулируют и охлаждают жидкостью, подогретой теплом из системы охлаждения двигателя, в пределах от максимальной температуры сгорания до температуры, назначаемой оператором двигателя, при этом давление охлажденного рабочего тела удерживают в пределах, максимально приближенных к конечному давлению сжатия воздуха, а охлаждающую жидкость преобразуют в пар высокого давления и высокой температуры, после чего рабочее тело нагнетают в поршневые цилиндры, где его расширяют, а затем выпускают из поршневых цилиндров.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепло рабочего тела, выпускаемого из поршневых цилиндров, используют при генерации пара.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что продукты сгорания перед нагнетанием в поршневые цилиндры аккумулируют в объеме не менее двадцати цикловых объемов.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что горячие поверхности двигателя защищают тепловой изоляцией от выхолаживания.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что продукты сгорания и пар смешивают друг с другом, а затем используют в поршневых цилиндрах.

6. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что продукты сгорания используют отдельно от пара, а пар отдельно от продуктов сгорания.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что часть топлива сжигают внутри поршневых цилиндров.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что пар используют в паровом непоршневом двигателе.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что оптимальную температуру рабочего тела, подаваемого в поршневые цилиндры, удерживают в пределах от 1000 до 1700°С.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6