Способ работы двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам работы и системам двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия двигателя, снизить токсичность отработавших газов, повысить надежность работы теплонапряженных элементов. Способ работы двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что подают воздух и топливо в цилиндры, сжимают топливовоздушную смесь, сжигают горючую смесь, осуществляют подачу пара в цилиндры, в результате чего происходит расширение продуктов сгорания и пара, совершают полезную механическую работу при движении поршней, осуществляют выпуск отработавших газов и пара из цилиндров и рекуперацию их тепла путем нагрева воды и образования пара в системе рекуперации. Подачу пара в цилиндры двигателя осуществляют в такте расширения (рабочего хода). Вводимый в цилиндры двигателя пар предварительно перегревают, введение пара производят вначале рабочего хода при наибольшем давлении и температуре газов, а отработавшую парогазовую смесь подают в систему рекуперации тепла, состоящую из парогенератора и пароперегревателя. Устройство для осуществления способа работы двигателя внутреннего сгорания содержит механизмы для осуществления рабочих процессов, системы газораспределения, питания топливом, воздухом, выпуска отработавших газов, систему рекуперации тепла отработавших газов для выработки водяного пара и снабжено клапаном или форсункой с возможностью введения перегретого пара в цилиндры двигателя в такте расширения (рабочего хода). Система рекуперации тепла отработавших газов и пара включает парогенератор, пароперегреватель и регулирующий газовый клапан, установленный перед выходом отработавших газов в атмосферу. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области энергомашиностроения, двигателестроения, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания, например, карбюраторным, дизельным.
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления (см. описание изобретения к патенту РФ №2093692, кл. F02B 47/02, 20.10.1997 г.), включающие рекуперацию тепла системы охлаждения и тепла выхлопных газов для увеличения мощности двигателя, КПД на 20%, уменьшения вредных выбросов в атмосферу. За счет тепла системы охлаждения и тепла отработавших газов в теплообменнике-котле вырабатывается водяной пар высокого давления в количестве 20-40% по отношению к количеству засасываемого в цилиндры воздуха, к нему подмешивают топливо в парообразном состоянии и перед началом процесса сгорания паротопливную смесь и воздух подают в цилиндры двигателя.
Основным недостатком этого способа и устройства для его осуществления является то, что вводить пар в цилиндры двигателя допускается в небольшом количестве из-за затруднения процесса воспламенения горючей смеси, ухудшения эффективного горения топлива, приводящего к значительной химической и механической неполноте сгорания, из-за большого количества тепла топлива, затрачиваемого на нагрев водяного пара в камере сгорания. Это ограничение уменьшает возможную степень рекуперации тепла отработавших газов, возможность повышения КПД двигателя.
Основным недостатком устройства для осуществления этого способа является сложность конструкции двухфазных паротопливных устройств для введения смеси в цилиндры, значительно усложняющих конструкцию двигателя в целом, его эксплуатацию при запуске и на переменных режимах работы.
Известен также способ работы двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления, принятый за прототип (см. описание изобретения к патенту РФ №2168030, кл. F02B 47/02, 27.05.2001 г.), включающий рекуперацию тепла отработавших газов для повышения КПД двигателя путем газификации (испарения) жидких топлив перед подачей их в цилиндры, а также дополнительное форсирование и охлаждение двигателя путем интенсификации цикла за счет впрыска катализатора- воды в рабочие камеры-цилиндры на такте расширения (рабочего хода) при наибольшем давлении газа в цикле. Впрыск катализатора-воды в камеры-цилиндры приводит также к уменьшению токсичности отработавших газов.
Основным недостатком этого способа является низкая степень рекуперации тепла отработавших газов, а значит и невысокое увеличение КПД двигателя. Большое количество вводимого катализатора-воды в камеры-цилиндры в такте расширения (рабочего хода) для увеличения КПД двигателя недопустимо, так как это приведет как к положительному фактору - полезному увеличению массы расширяющихся газов, так и отрицательному - существенному снижению работоспособности продуктов сгорания из-за уменьшения температуры и давления, теплосодержания смеси, обусловленной потреблением тепла на испарение воды, перегрев пара.
Другими недостатками этого способа и устройства для его осуществления являются: отсутствие рекуперации тепла отработавших газов и устройств, теплообменников для нагрева воды-катализатора перед введением в цилиндры, значительные затраты на приготовление катализатора-воды, а также сложность конструкции.
Таким образом, рассмотренные способы работы двигателей и устройства для их осуществления не позволяют в полной мере использовать тепло отработавших газов, большая часть которой теряется в окружающей среде.
Технической задачей изобретения является: повышение КПД двигателя внутреннего сгорания (например дизеля, двигателя внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, карбюраторного или двигателя с впрыском жидкого топлива во впускную систему и др.), снижение токсичности отработавших газов, повышение надежности работы теплонапряженных элементов двигателя.
Техническая задача решается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем подачу воздуха и топлива в цилиндры, сжатие воздуха, топливовоздушной смеси, сгорание горючей смеси, расширение продуктов сгорания, совершение полезной механической работы при движении поршней, выпуск отработавших газов из цилиндров, рекуперацию их тепла путем нагрева воды, образования пара в теплообменниках, введение пара в цилиндры двигателя производят в такте расширения (рабочего хода).
В способе вводимый в цилиндры двигателя пар предварительно перегревают по отношению к давлению, превышающему давление газов в цилиндрах до введения пара.
В устройстве для осуществления способа работы двигателя внутреннего сгорания, содержащем механизмы для осуществления рабочих процессов, системы газораспределения, питания топливом, воздухом, выпуска отработавших газов, рекуперации тепла отработавших газов для выработки водяного пара, имеются клапаны для введения перегретого пара в цилиндры двигателя в такте расширения (рабочего хода), самостоятельная система рекуперации тепла отработавших газов и пара, включающая пароперегреватель и регулирующий газовый клапан, установленный перед выходом отработавших газов в атмосферу.
На фиг.1 изображены совмещенные сравнительные схематизированные надежность работы теплонапряженных элементов двигателя за счет значительного уменьшения времени действия и абсолютного значения температуры газов в цилиндрах.
В известном способе работы двигателя, принятом за прототип, впрыск катализатора-воды в такте расширения не позволяет достичь такого эффекта, как в предлагаемом способе, по следующим причинам: существенное снижение полезной работы и КПД из-за значительного уменьшения давления и температуры расширяющейся водопарогазовой смеси, ее работоспособности, вызванного большим расходом теплосодержания продуктов сгорания на испарение воды; ничтожно малая доля тепла отработавших газов, затрачиваемая на нагрев воды, то есть маленькая степень рекуперации.
Вариант двигателя на фиг.2, работающий по предлагаемому способу, состоит из цилиндров 1, поршней 2, головки цилиндров 3, патрубков всасывания воздуха 4, топливного бака 5, карбюратора 6 известной конструкции. На головке цилиндров расположены патрубки ввода топливовоздушной смеси с впускными клапанами 7 известной конструкции, свечи зажигания 8 известной конструкции, выхлопные патрубки парогазовой смеси с выпускными клапанами 9 известной конструкции, из которых отработавшая парогазовая смесь поступает в самостоятельную систему рекуперации тепла, состоящую из парогенератора 10, пароперегревателя 11, емкости возврата водяного конденсата 12 известной конструкции, аппарата водоочистки 13 известной конструкции для восполнения потерь конденсата, питательного насоса высокого давления 14 известной конструкции, регулирующего газового клапана 15, установленного перед выходом отработавших газов в атмосферу.
Перегретый пар по паропроводу 16 поступает в клапаны 17 для непосредственного введения в цилиндры двигателя в такте расширения (рабочего хода).
Способ работы двигателя и устройство для его осуществления рассмотрим на прохождении одного цикла. За исходную точку отсчета цикла примем точку а″ (фиг.1) - конец такта впуска топливовоздушной смеси, поршень находится в «НМТ», все клапаны закрыты посредством известных систем, механизмов.
При движении поршня к «ВМТ» происходит политропный процесс сжатия с повышением давления и температуры топливовоздушной смеси.
При подходе поршня к «ВМТ» производят принудительное зажигание топливной смеси посредством свечи зажигания. При положении поршня в «ВМТ», точка с″ (фиг.1), такт сжатия закончен, продолжается процесс горения топливовоздушной смеси. Процесс сгорания основной массы топлива происходит с увеличением давления и температуры, при этом происходит также предварительное расширение, незначительное увеличение объема газов, точка z″ (фиг.1), далее такт расширения (рабочего хода) продолжается. В точке z″ при максимальном давлении за цикл посредством клапанов в цилиндр двигателя вводят перегретый пар, при этом продолжается расширение газов и пара в цилиндре с совершением полезной работы при постоянном давлении, как принято для рассматриваемого варианта. Процесс расширения при введении пара в цилиндр может проходить и при других изменениях параметров. Введение пара заканчивается в точке к″ (фиг.1), далее такт расширения (рабочего хода) продолжается по политропе и заканчивается приблизительно при положении поршня в «НМТ», точка в″ (фиг.1). При подходе поршня к «НМТ» открывают выпускные клапаны посредством известных механизмов, начинается такт выпуска отработавших газов и пара под действием перепада давлений в цилиндре и окружающей среде, который длится при движении поршня до «ВМТ». Выходящие из цилиндра отработавшие газы и пар поступают в патрубок выхлопа газов и далее в систему рекуперации тепла. В конце такта выпуска закрывают выпускные и открывают впускные клапаны посредством известных механизмов и систем при движении поршня к «НМТ» в цилиндр, в котором создается разрежение, под действием давления окружающей среды засасывается топливовоздушная смесь, образуемая с использованием карбюратора и других известных механизмов и систем. Такт впуска заканчивается при подходе поршня к «НМТ», точка а″, цикл заканчивается. Из патрубка выхлопа отработавшие газы и пар поступают в рекуперативный пароперегреватель, частично охлаждаются и следуют далее в парогенератор, в котором происходит дальнейшее охлаждение парогазовой смеси, частичная конденсация из нее водяного пара на теплопередающей поверхности; далее отработавший газ и оставшийся не сконденсировавшийся водяной пар выбрасываются через регулирующий газовый клапан в атмосферу. Водяной конденсат из парогенератора поступает в емкость возврата конденсата, откуда снова посредством питательного насоса высокого давления известной конструкции подается в парогенератор, в котором вода превращается в насыщенный пар и поступает в пароперегреватель, в котором перегревается и по паропроводу поступает в клапаны и далее непосредственно в цилиндр двигателя. Восполнение не сконденсировавшейся части водяного пара из парогазовой смеси осуществляют посредством введения в емкость возврата конденсата добавки технической воды, прошедшей аппарат водоочистки известной конструкции. Степень конденсации водяного пара из парогазовой смеси зависит от ее давления и регулируется газовым клапаном.
Как показывают сравнительные расчеты эффективности работы двигателей внутреннего сгорания с принудительным зажиганием топливовоздушной смеси и дизелей, увеличение КПД двигателей, работающих по предлагаемому способу, по сравнению с двигателями, работающими по известному способу, составляет приблизительно 40-75%.
В качестве примера приведем результаты расчета карбюраторного 4-х тактного 4-х цилиндрового двигателя внутреннего сгорания, работающего по известному способу и по предлагаемому. Расчетные индикаторные диаграммы представлены на фиг.1
Условия работы и результаты расчета для двигателя, работающего по известному способу: низшая теплота сгорания жидкого топлива принята Н=44 МДж/кг; степень сжатия Е=8,5; Ра=0,09 Мпа; Рс=1,58 МПа; Pz=6,18 МПа; коэффициент избытка воздуха - 1,0; температура после сгорания топлива, вначале такта расширения Tz=2720 К; Тв=1480 К; Рв=0,41 МПа; эффективная мощность двигателя Ne=51,1 кВт; расход топлива Gt=15,1 кг/ч; расход воздуха Gb=223,6 кг/ч; количество выхлопных газов Gг=238,5 кг/ч; эффективный КПД - 0,28.
Условия работы и результаты расчета для двигателя, работающего по предлагаемому способу: Н=44 МДж /кг; Е=8,5; Ра″=0,09 МПа; Рс″=1,58 МПа; Pz″=6,18 МПа; Tz″=2720 К; коэффициент избытка воздуха - 1,0; Ne=50,55 кВт; Gt=8,4 кг/ч; Св=124,8 кг/ч; Gг=133,2 кг/ч; количество вводимого перегретого пара при максимальном давлении за цикл Pz″-Gпар=148,9 кг/ч; эффективный КПД - 0,49; давление перегретого пара Рпе=6,5 МПа; температура перегретого пара Тпе=793 К (520°С). Давление и температура парогазовой смеси в конце процесса введения пара: Pк=Pz″; Тк″=1450 К (1177°С). Давление и температура парогазовой смеси в конце процесса расширения (рабочего хода): Рв″=0,72 МПа; Тв″=927 К (654°С).
КПД двигателя, работающего по предлагаемому способу, на 75% выше КПД двигателя, работающего по известному способу.
Важным фактором является также то, что при работе двигателя по предлагаемому способу температура смеси газов после введения пара уменьшается с 2720 К до 1450 К - более, чем на 1000 К. Это приводит к значительному снижению теплонапряженности цилиндров, поршней, головки цилиндров, корпуса двигателя, к повышению надежности, ресурса двигателя. Использование клапанов для введения в цилиндр только пара вместо клапанов для паротопливной смеси упрощает их конструкцию. Значительное уменьшение времени действия и абсолютного значения высокой температуры газов в цилиндрах благодаря введению пара в такте расширения приводит также к уменьшению потерь тепла в систему охлаждения двигателя, в окружающую среду, к увеличению КПД.
1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что подают воздух и топливо в цилиндры, сжимают топливовоздушную смесь, сжигают горючую смесь, осуществляют подачу пара в цилиндры, в результате чего происходит расширение продуктов сгорания и пара, совершают полезную механическую работу при движении поршней, осуществляют выпуск отработавших газов и пара из цилиндров и рекуперацию их тепла путем нагрева воды и образования пара в системе рекуперации, причем подачу пара в цилиндры двигателя осуществляют в такте расширения (рабочего хода), отличающийся тем, что вводимый в цилиндры двигателя пар предварительно перегревают, введение пара производят вначале рабочего хода при наибольшем давлении и температуре газов, а отработавшую парогазовую смесь подают в систему рекуперации тепла, состоящую из парогенератора и пароперегревателя.
2. Устройство для осуществления способа работы двигателя внутреннего сгорания, содержащее механизмы для осуществления рабочих процессов, системы газораспределения, питания топливом, воздухом, выпуска отработавших газов, систему рекуперации тепла отработавших газов для выработки водяного пара, отличающееся тем, что снабжено клапаном или форсункой с возможностью введения перегретого пара в цилиндры двигателя в такте расширения (рабочего хода), а система рекуперации тепла отработавших газов и пара включает парогенератор, пароперегреватель и регулирующий газовый клапан, установленный перед выходом отработавших газов в атмосферу.
