Комбинированный поршнетурбинный двигатель внутреннего сгорания



Комбинированный поршнетурбинный двигатель внутреннего сгорания
Комбинированный поршнетурбинный двигатель внутреннего сгорания

 


Владельцы патента RU 2596888:

Калмыков Николай Михайлович (RU)

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к комбинированным двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является уменьшение тепловых потерь и повышение экологичности. Сущность изобретения заключается в том, что в выпускной трубе поршневого ДВС установлены работающая в пульсирующем режиме форсунка-инжектор, распыливающая в высокотемпературном потоке продуктов сгорания испаряющуюся жидкость, и турбина, работающая на энергии парогазовой смеси. В качестве испаряющей жидкости могут быть использованы сжиженный углекислый газ, воздух, спирт, вода, смесь воды со спиртом и т.д. Для обеспечения работы агрегата без больших пульсаций выпускная труба разделена на множество отдельных труб меньшего сечения, расположенных напротив рабочих лопаток турбины. Для предотвращения распространения давления парогазовой смеси в сторону двигателя перед форсунками-инжекторами в выпускных трубах установлены обратные клапаны, представляющие собой вращающийся диск с отверстиями для прямого прохода выпускных газов. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области двигателестроения, конкретно к устройству комбинированного поршнетурбинного двигателя внутреннего сгорания.

Известен комбинированный поршнетурбинный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из поршневого двигателя внутреннего сгорания и силовой турбины, работающей на энергии избыточного давления продуктов сгорания из поршневого двигателя и возвращающей обратно выработанную энергию через свой вал коленчатому валу поршневого двигателя (см. книгу В.П. Алексеева и др. "Двигатели внутреннего сгорания". - г. Москва, изд. "Машиностроение", 1990, стр. 29). Данная идея до настоящего времени не получила практического применения ввиду малости возвращаемой энергии и неоправданным усложнением конструкции, а что касается турбонаддува, он используется на другом принципе и по другому назначению без применения силовой турбины, с использованием обычной газовом турбины.

Основным недостатком поршневых двигателей внутреннего сгорания является неиспользование тепловой энергии продуктов сгорания, т.е. выпускных газов, составляющей в зависимости от типа двигателя 25-50% от общего количества тепловой энергии топлива (см. книгу В.А. Стуканова "Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля". - ИД "Форум - Инфра - М", 2010, стр. 111). А это существенная энергия, и не использовать ее при современном уровне техники не оправдано.

Задачей настоящего изобретения является создание двигателя, лишенного указанного недостатка, и уменьшение тепловых потерь с уходящими по выпускной трубе продуктами сгорания из поршневого двигателя и повышение экологичности двигателя.

Указанная задача решается впрыскиванием в пульсирующем режиме в высокотемпературный поток продуктов сгорания в выпускной трубе поршневого двигателя легкоиспаряющейся (имеющей малую теплоту парообразования) жидкости и подачей образующейся парогазовой смеси повышенного давления (в разы превышающего избыточное давление выпускных газов) на силовую газовую турбину и возвратом механической энергии, полученной в турбине через ее вал коленчатому валу поршневого двигателя, увеличивая его эффективную мощность. Наиболее подходящей для этой цели жидкостью является сжиженный углекислый газ (жидкая углекислота), являющийся энергоемким перспективным рабочим телом для тепловых машин, он еще в несколько раз дешевле моторного топлива. Попадая в выпускную трубу он мгновенно превращается в пар (газ), повышая давление парогазовой смеси. Пульсирующий режим распыла позволяет организовать процессы, не допуская распространения давления парогазовой смеси в сторону поршневого двигателя путем установки перед форсункой в выпускной трубе обратного клапана. Техника хранения и подачи в атмосферу сжиженного углекислого газа общеизвестна - применяется при сварке. Хранится в прочных стальных герметичных емкостях, плотность жидкой углекислоты 771 кг/м3, при температуре 0°C максимальное давление в емкости 3,482 МПа, при 31°C - 7,3832 МПа, газовая постоянная R=188,918 ДЖ/к·К. Он удобен еще тем, что для подачи его в выпускную трубу не требуется насос, подача будет происходить под давлением собственных паров в емкости, во много раз превышающем давление газов в выпускной трубе. Хороши также для подачи в выпускную трубу жидкий воздух, особенно жидкий азот, у него ивовая постоянная R=296,015 ДЖ/к·К (что обуславливает получение более высокого давления парогазовой смеси), но их хранение связано с трудностями. Для распыла используется форсунка, управляемая компьютером. Для обеспечения равномерности вращения вала турбины без рывков выпускная труба за поршневым двигателем разделена на несколько параллельных ветвей, каждая со своей форсункой, оканчивающихся перед турбиной. Для запирания давления парогазовой смеси в сторону поршневого двигателя установлен обратный клапан в виде вращающегося диска одного для всех параллельных ветвей с отверстиями, пропускающего в момент совпадения отверстия с одной из ветвей выпускной трубы к форсунке выпускной газ из поршневого двигателя и запирающего этот газ обратно в сторону поршневого двигателя после отхода отверстия от ветви выпускной трубы. На одной оси с диском обратного капана установлен второй диск с отверстиями, назовем прямой клапан, образующий с диском обратного клапана в момент распыла жидкой углекислоты замкнутую камеру и пропускающий образующуюся парогазовую смесь в момент совпадения одного из отверстий с ветвью выпускной трубы на силовую турбину.

Энергия давления парогазовой смеси в сопловом аппарате силовой газовой турбины преобразовывается в кинетическую энергию, вращающую при ударе парогазовой смеси с рабочими лопатками диска турбины с валом. Энергия, выработанная в турбине через зал турбины возвращается коленчатому валу поршневого двигателя, увеличивая его эффективную мощность. В указанных процессах участвует не только тепловая энергия продуктов сгорания, но также их энергия давления. Остаточная после силовой турбины кинетическая энергия парогазовой смеси срабатывается в реактивном сопле, расположенном за турбиной, сообщая транспортному средству с указанным двигателем тягу, т.е. дополнительную энергию. Указанный двигатель может быть снабжен одним реактивным соплом без установки турбины, что может быть реализовано на гоночных автомобилях. Для стационарных двигателей может оправдать применение вместо жидкой углекислоты воды и ее растворов, но вода как вещество с высоким значением теплоемкости и теплоты парообразования вызовет большие теплопотери, чем жидкая углекислота.

С учетом того, что углекислый газ является инертным экологически чистым продуктом, двигатель меньше загрязняет окружающую среду, что является также немаловажным фактором в пользу использования указанного комбинированного поршнетурбинного двигателя, особенно, в крупных городах-мегаполисах. Потребный расход сжиженного углекислого газа можно определить расчетным путем при известном расходе выпускных газов, задаваясь различными величинами массового расхода углекислого газа по формуле m 1 + m 2 = p 1 V 1 R 1 T 1 + p 2 V 2 R 2 V 2 = p V R T .

Отсюда можно определить давление парогазовой смеси p = ( p 1 V 1 R 1 T 1 + p 2 V 2 R 1 V 1 ) = R T V , где

m1 и m2 - массовые расходы выпускных газов и углекислого газа соответственно,

p1 и р2 - давление выпускных газов и углекислого газа в газовой фазе соответственно,

V1 и V2 - объемы газов соответственно,

Т1 и Т2 - абсолютные температуры газов соответственно,

R1 и R2 - газовые постоянные газов соответственно,

V - объем парогазовой смеси,

Т - абсолютная температура парогазовой смеси,

R - газовая постоянная парогазовой смеси.

Оптимальные параметры двигателя выбираются опытным путем на испытаниях двигателя.

На фиг. 1 приведен пример реализации вышеописанного комбинированного поршнетурбинного двигателя внутреннего сгорания с силовой газовой турбиной; на фиг. 2 - поперечное сечение по смесительным камерам; на фиг. 3 и 4 - зоны расположения смесительных камер в различных положениях клапанов; на фиг. 5 - увеличенный показ элементов лабиринтного газового уплотнения в зазорах расположения дисков клапанов; на фиг. 6 - поперечный разрез элементов лабиринтного уплотнения с показом их формы; на фиг. 7 - зона расположения лопаток турбины в увеличенном масштабе; на фиг. 8 - их поперечный разрез.

Устройство состоит из поршневого двигателя 1 внутреннего сгорания (условно показана только выпускная труба коллектора), присоединенной части 2 выпускной трубы с ветвями 3, форсунок 4, расположенных каждая в своих смесительных камерах 5, являющихся продолжением ветвей 3, диска 6 обратного клапана 7, диска 8 прямого клапана 9, сидящих на одном на валу 10, электродвигателя 11 как привода дисков 6 и 8 клапанов 7 и 9 соответственно, газовой силовой турбины 17 с диском 13 и валом 23 и направляющим сопловым аппаратом 14 и реактивного сопла 15. Для уменьшения тепловых потерь часть двигателя до турбины 17 покрыт слоем теплоизоляции 16.

Работает двигатель следующим образом. Рассмотрим процессы применительно к верхней ветви выпускной трубы 2. Выпускные газы, проходя по ветви 3, через отверстие а в диске 6 открытого клапана 7 и при закрытом прямом клапане 9 заполняют смесительную камеру 5 (см. фиг. 1). При дальнейшем повороте диска 6 отверстие а отходит от смесительной камеры 5, образуя между клапанами 7 и 9 замкнутый объем. При этом через форсунку 4 в смесительную камеру 5 впрыскивается сжиженный углекислый газ, поступающий но трубе 19 без какого-либо насоса под давлением своих паров в емкости 18. Работа клапанов 7 и 9 и форсунок 4 взаимно согласованы и управляемы компьютером. Сжиженный углекислый газ, попадая в высокотемпературные продукты сгорания, мгновенно испаряется, давление парогазовой смеси резко повышается, а температура резко снижается и при дальнейшем повороте диска 8 клапана 9 и совмещении отверстия 6 с ветвью выпускной трубы парогазовая смесь поступает на турбину 4, проходя по сопловому направляющему аппарату 14, попадает на рабочие лопатки 22 турбины 17. В направляющем аппарате энергия давления (потенциальная энергия) преобразуется в кинетическую энергию для работы турбины 17, остаточная кинетическая энергия парогазовой смеси, попадая в реактивное сопло 15, создает реактивную силу, дополнительно толкающую силу для движения транспортного средства. Механическая энергия турбины 13 через вал 23 возвращается обратно на коленчатый вал поршневого двигателя 1, повышая эффективную мощность двигателя. Указанные выше процессы повторяются и поочередно происходят и в других ветвях 3 выпускной трубы 2. Незначительные утечки парогазовой смеси через зазоры расположения дисков 6 и 8 уводятся по трубопроводу 24. Работа турбины не сопряжена с высокими температурами, это еще одно удобство использования сжиженного углекислого газа. Может оказаться такому двигателю не нужен глушитель.

Разработка и производство вышеуказанного комбинированного поршнетурбинного двигателя внутреннего сгорания не представляет сложность, но требует проведения научно-исследовательских работ с целью выработки наиболее подходящих параметров вышеуказанных процессов в двигателе. Следует еще отметить, что эффективная мощность поршневого двигателя растет с увеличением рабочих объемов цилиндров. С учетом того, что часть эффективной мощности поршневой двигатель получает от силовой турбины, что потребует меньшую величину эффективной мощности поршневого двигателя и, соответственно, меньшие габариты поршневого двигателя.

1. Комбинированный поршнетурбинный двигатель внутреннего сгорания, содержащий поршневой двигатель внутреннего сгорания с выпускной трубой и силовую турбину с валом, соединенным с коленчатым валом поршневого двигателя, установленную на выходе из выпускной трубы, отличающийся тем, что для уменьшения тепловых потерь с уходящими по выпускной трубе продуктами сгорания поршневого двигателя в выпускной трубе установлен работающий в пульсирующем режиме инжектор, распыливающий легкоиспаряющуюся жидкость в высокотемпературный поток выпускных газов, при этом для предотвращения распространения давления образующейся парогазовой смеси в сторону поршневого двигателя впереди инжектора установлен обратный газовый клапан.

2. Комбинированный поршнетурбинный двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что выпускная труба за поршневой частью разделена на множество отдельных ветвей, каждая со своим инжектором.

3. Комбинированный поршнетурбинный двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что обратный клапан выполнен в виде вращающегося диска, общего для всех ветвей выпускной трубы, с отверстиями для пропуска выпускных газов к инжекторам на время их совмещения с ветвями выпускной трубы.

4. Комбинированный поршнетурбинный двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что на одном валу с вращающимся диском обратного клапана установлен диск, общий для всех ветвей выпускной трубы с отверстиями для пропуска парогазовой смеси к рабочим лопаткам турбины и образующий с диском обратного клапана замкнутый объем на момент распыла инжектора.

5. Комбинированный поршнетурбинный двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что в качестве легкоиспаряющейся жидкости для впрыскивания в выпускную трубу взят сжиженный углекислый газ (жидкая углекислота).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к двигателестроению. Техническим результатом является повышение КПД.

Изобретение может быть использовано в устройствах рекуперации тепла выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Устройство (12) рекуперации тепла выхлопных газов содержит первый трубопровод (16), по которому протекают выхлопные газы из двигателя (14), второй трубопровод (18), ответвленный от первого трубопровода (16) и включающий в себя блок (26) рекуперации тепла, позволяющий теплу выхлопных газов воздействовать на теплоноситель, клапанный элемент (34) и приводной элемент (36).

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, применяемых на транспортных средствах. Устройство (10) управления рекуперацией тепла выхлопных газов включает в себя блок (16) регулировки рекуперируемого тепла, выполненный с возможностью регулировки количества тепла, рекуперируемого из выхлопных газов, рекуператором (12) тепла выхлопных газов, и блок (14) управления.

Изобретение относится к теплообменникам выхлопных газов для двигателей внутреннего сгорания. Описан теплообменник 11 выхлопных газов для соединения с потоком выхлопных газов от двигателя 5 транспортного средства, имеющий совокупность каналов 30 перенаправления выхлопных газов и несколькими каналами 32 хладагента для передачи тепла от выхлопных газов, проходящих через теплообменник 11 выхлопных газов, хладагенту, который используется для подачи тепла в кабину транспортного средства.

Изобретение относится к энергетике. Силовая установка содержит двигатель, имеющий выхлопную линию, турбину на выхлопную линию, обходную линию, соединенную с выхлопной линией до турбины и имеющую управляемый перепускной клапан, и контроллер, служащий для управления открыванием перепускного клапана с целью обхода турбины.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям с турбонаддувом. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя.

Изобретение относится к системе для преобразования тепловой энергии в механическую энергию в транспортном средстве. Система включает в себя контур трубопровода, насос для прокачивания вещества в контуре трубопровода по меньшей мере один испаритель, в котором обеспечивается поглощение веществом тепловой энергии от источника тепла таким образом, что оно выпаривается, турбину, выполненную с возможностью приведения в движение с помощью выпаренного вещества с целью выработки механической энергии, и конструкцию конденсатора, в которой обеспечивается выделение веществом тепловой энергии таким образом, что оно конденсируется.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для выработки электрической энергии с использованием в качестве теплоносителя нагретого воздуха. Технический результат состоит в экономии горючих материалов.

Изобретение может быть использовано в перепускных устройствах для систем утилизации отходящего тепла двигателей внутреннего сгорания. Перепускное устройство (27) системы (23) утилизации отходящего тепла содержит перепускной трубопровод с клапаном (39), датчик температуры в трубопроводе, контроллер (41) и второй клапан (47).

Изобретение может быть использовано в предпусковых и вспомогательных теплоэнергетических установках транспортных средств для одновременного производства тепла и электроэнергии.

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Предложена система приготовления и подачи водно-топливной смеси в ДВС, включающая емкость для воды 2, содержащую двойные стенки, между которыми осуществляется циркуляция отработавших газов, в результате чего вода в емкости нагревается до температуры около 70°C.

Изобретение относится к системам топливоподачи двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Предложена система питания ДВС, включающая топливный бак 7, топливный насос 6, топливный фильтр 5, подающий 8 и сливной 4 трубопроводы, рампу 2 форсунок с топливными форсунками 1 и регулятор 3 давления топлива.

Изобретение относится к области очистки цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение качества очистки без потерь свежего заряда.

Изобретение относится к области регулирования двигателей с рециркуляцией выхлопных газов (EGR). Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя на переходных режимах.

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Предложена установка получения водотопливной эмульсии (ВТЭ), оснащенная регулятором давления 11, который установлен на трубопроводе возврата ВТЭ 10 из топливоподающей системы 9 и при этом механически и гидравлически связан с регулятором 2 расхода воды, а кроме того, установка дополнительно снабжена воздушным баллоном 13 и редуктором 14, подключенными к баку для воды 4.

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Предложена система для получения водотопливной эмульсии, включающая реакторное устройство (150), подвод топлива (110), соединенный с упомянутым реакторным устройством, подвод воды (120), соединенный с упомянутым реакторным устройством, насос, соединенный с упомянутым реакторным устройством, и встроенный в линию контур (173) для повторной обработки циркулирующей эмульсии, соединенный с упомянутым насосом и в реальном времени подающий эмульсию на нагрузку (двигатель, турбину и т.д.).
Способ может применяться в процессе эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с добавлением пара. В период эксплуатации периодически на поверхности ДВС, контактирующие прямо или косвенно с продуктами сгорания, наносят защитное покрытие (ЗП) с нанодисперсным модификатором (М) поверхностей трения, предотвращающим коррозию и водородное охрупчивание деталей.

Изобретение относится к двигателестроению. Двигатель внутреннего сгорания содержит в корпусе несколько полых роторных секций двух типов технологического назначения: компрессорную роторную секцию и силовую роторную секцию.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам производства, распределения и очистки углеводородного топлива, и может быть использовано для повышения качества как стандартного, так и некондиционного топлива.

Изобретение относится к двигателестроению. .

Изобретение относится к способу регулирования передачи крутящего момента трансмиссии, расположенной между коленчатым валом турбокомпаундного двигателя внутреннего сгорания и силовой турбиной.
Наверх