КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ - КОНДИЦИОНЕР Российский патент 1995 года по МПК B60K1/00 

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) кондиционер с газовой связью относится к энергетике и транспорту и может найти применение в любой отрасли народного хозяйства, в частности на автомобильном транспорте при использовании энергии выхлопных газов ДВС для обеспечения работы системы кондиционирования без дополнительных затрат энергии и форсирования по мощности в особенности карбюраторных ДВС, в том числе и на уже эксплуатируемых автомобилях.

Поршневые ДВС обладают той особенностью, что в них не может быть обеспечено полное расширение выхлопных газов, ввиду равенства степеней сжатия-расширения при несравненно больших температуре и давлении выхлопных газов по сравнению с этими параметрами воздуха на входе в двигатель.

Этот недостаток ликвидирован в комбинированных двигателях, большое количество схем которых разработано в последнее время (см. например, кн. Двигатели внутреннего сгорания, теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей. А. С. Орлин и др. M. Машиностроение, 1971, гл. IX). В комбинированных двигателях выхлопные газы расширяются на турбине, которая обеспечивает привод компрессора, используемого для наддува поршневой части ДВС, что приводит к увеличению мощности и повышает экономичность двигателя.

В ряде случаев, особенно в двигателях с внешним смесеобразованием, для обеспечения бездетонационного горения смеси необходимо охлаждение заряда, приводящее к изменению его параметров и параметров цикла, что влияет на работу всех элементов комбинированного двигателя. Охлаждение заряда может осуществляться вне и внутри цилиндра поршневой части. Для охлаждения вне цилиндра используют поверхностные охладители, впрыск воды и другой жидкости в охлаждаемый воздух, а также специальные турбодетандеры и холодильные установки.

Наибольшее распространение получило охлаждение воздуха в поверхностных охладителях, которые встраиваются во впускную систему двигателя после компрессоров. В четырехтактных двигателях применимо и внутреннее охлаждение заряда, когда впуск воздуха заканчивается за 40.50^о угла поворота коленчатого вала до НМТ, что позволяет регулировать давление в начале сжатия, а следовательно, и максимальное давление в цилиндре.

Эффективность внутреннего охлаждения, как показывают исследования, улучшается, если оно сочетается с промежуточным охлаждением. Температура охлаждаемого воздуха после поверхностного охладителя теоретически не может быть ниже температуры окружающей среды. В отдельных случаях такого охлаждения воздуха недостаточно (например, в тропических условиях, когда, не перегревая двигатель, надо повысить его мощность и получить воздух для кондиционирования, или в ДВС с внешним смесеобразованием, когда надо к тому же исключить и детонационное горение), поэтому разработаны другие схемы охлаждения воздуха, в которых его температура после охлаждения может быть ниже температуры окружающей среды. Такое охлаждение воздуха достигается в специальных холодильниках глубокого охлаждения или в установках с турбодетандером (как в схеме на рис.86 вышеупомянутой книги).

В этой схеме глубокое охлаждение воздуха дается ценой значительного увеличения давления воздуха по сравнению с давлением заряда, подаваемого в цилиндры, да и затраты работы при этом резко растут, в том числе и за счет больших гидросопротивлений охладителя, выставляемого, например, в набегающий на автомобиль поток воздуха. В данном случае налицо технические противоречия, которые исключаются в изобретении.

Цель изобретения достигается за счет того, что комбинированный ДВС с газовой связью дополняется существенными признаками, состоящими в повышении эффективности охлаждения поступающего в двигатель заряда при низкой напорности и теплонапряженности компрессора и турбины, что позволяет форсировать по мощности двигатели как с внутренним, так и внешним смесеобразованием без увеличения октанового числа бензина и более простыми конструктивными средствами, которые одновременно могут обеспечить и кондиционирование воздуха без дополнительных затрат энергии.

Цель изобретения достигается за счет того, что комбинированный двигатель, состоящий из поршневого ДВС и турбины, механически связанной с компрессором, входной патрубок которого соединен с атмосферой, а выходной через полость по охлаждаемой среде холодильника подсоединен к входному патрубку ДВС, дополняется существенными признаками, заключающимися в том, что входной патрубок турбины сообщен с атмосферой, а выходной через полость по нагреваемой среде холодильника связан с входным патрубком низкого давления эжектора, входной патрубок высокого давления которого подсоединен к выходному патрубку ДВС, а выходной сообщается с атмосферой.

С целью эффективного использования избыточного хладоресурса воздуха после турбины для нужд автомобиля, например рефрижератора, комбинированный ДВС-кондиционер может быть дополнен существенным признаком, заключающимся в том, что полость по нагреваемой среде охладителя воздуха полностью или частично представляет собой полый герметичный каркас рефрижератора с теплоизолированными стенками со стороны атмосферы.

С целью использования располагаемого хладоресурса воздуха после турбины для увеличения степени охлаждения воздуха комбинированный ДВС-кондиционер может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что входные патрубки компрессора и турбины, а также выходной патрубок компрессора подсоединены к полостям по охлаждаемой среде холодильника, расположенных в нем в любых комбинациях и количестве как параллельно, так и последовательно в любой очередности в зависимости от требуемых характеристик охлаждения заряда.

С целью использования бросовой энергии выхлопных газов ДВС и для обеспечения кондиционирования воздуха для нужд, например, пассажиров автомобиля, эксплуатируемого в условиях сухого климата (Средняя Азия), когда нет необходимости удалять влагу из кондиционируемого воздуха, комбинированный ДВС-кондиционер может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что он имеет дополнительный эжектор, входной патрубок которого высокого давления через кран-регулятор расхода и параллельный ему кран и теплообменник, установленный в выхлопном патрубке ДВС, соединен с входным патрубком ДВС, входной патрубок низкого давления эжектора через дополнительную полость по охлаждаемой среде охладителя сообщен через фильтр с атмосферой, а выходной соединен с коллектором подачи воздуха в пассажирский салон автомобиля, обеспечивая кондиционирование воздуха в нем.

Модификация комбинированного ДВС-кондиционера применительно к эксплуатации автомобиля в тех же условиях жаркого и сухого климата может быть дополнена признаками, заключащимися в том, что на валу компрессора и турбины установлен детандер, входной патрубок которого подсоединен к магистрали от охладителя до входного патрубка ДВС и через регулировочный кран к выходу компрессора, а выходной патрубок к коллектору подачи воздуха в пассажирский салон автомобиля, обеспечивая кондиционирование воздуха в нем.

Для случая эксплуатации автомобиля в условиях жаркого и влажного климата (Сочи, Тбилиси), когда помимо охлаждения воздуха требуется удалить часть влаги из воздуха, чтобы влажность кондиционированного воздуха не превышала 40. 70% комбинированный ДВС-кондиционер может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что в магистрали от детандера до коллектора подачи воздуха в салон автомобиля последовательно установлены влагоуловитель-отстойник конденсата воды со сливным краном для нужд потребителя и подогреватель кондиционируемого воздуха, установленный в выхлопном патрубке ДВС, параллельно которому проложена магистраль с краном-регулятором расхода воздуха.

С целью снижения веса охладителя воздуха за счет увеличения коэффициента теплопередачи при обеспечении с обеих сторон стенки охладителя воздуха соответственно процессов испарения и конденсации влаги комбинированный ДВС-кондиционер может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что в магистрали слива воды из влагоуловителя-отстойника конденсата воды установлен насос, к выходу которого подсоединены водяные форсунки, установленные в воздушных магистралях на входе в турбину, и охладитель воздуха по охлаждаемой среде.

С целью использования бросовой энергии выхлопных газов ДВС и для обеспечения работы холодильника и подогревателя комбинированный ДВС-кондиционер может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что магистрали за влагоуловителем-отстойником конденсата воды и подогревателем кондиционируемого воздуха через краны соединены с атмосферой или салоном автомобиля через теплоизолированные шкафы, представляющие собой соответственно холодильник и подогреватель, например, продуктов питания.

На фиг. 1 изображен комбинированный ДВС-кондиционер с эжекторным турбокомпрессором и охладителем воздуха; на фиг.2 то же, ДВС с дополнительными подогревателем воздуха и эжекторным смесителем холодного и горячего воздуха для нужд кондиционирования; на фиг.3 то же, ДВС, но без эжекторного смесителя, с дополнительными детандером, влагоуловителем-отстойником конденсата воды и холодильным и нагревательным шкафами.

Комбинированный ДВС-кондиционер содержит ДВС 1, выхлопной патрубок 2 которого представляет собой сопло эжектора 3. Входной патрубок 4 низкого давления сопла эжектора 3 сообщается с атмосферой последовательно через полость 5 по нагреваемой среде охладителя 6 воздуха, которая, в частности, частично или полностью представляет собой полый герметичный каркас рефрижератора 7, воздушную турбину 8 и полость по охлаждаемой среде змеевик 9 охладителя 6 воздуха. Турбина 8 механически связана с компрессором 10, вход которого через змеевик 9 соединяется с атмосферой, а выход через дополнительную полость по охлаждаемой среде змеевик 11 и воздушный фильтр 12 с входным патрубком 13 ДВС 1.

Комбинированный ДВС-кондиционер (фиг.2) может быть снабжен расположенным в выхлопном патрубке 2 ДВС 1 подогревателем воздуха змеевиком 14, вход которого сообщается с выходом компрессора 10, а выход через кран-регулятор 15 расхода и воздушный 16 с входным патрубком высокого давления эжектора 17, вход низкого давления которого через змеевик 9 и воздушный фильтр 18 сообщается с атмосферой, а выход через коллектор 19 с салоном автомобиля. Выходные магистрали подогревателя 14 воздуха и змеевика 11 охладителя 6 воздуха связаны между собой через запорный кран-регулятор 20 расхода.

Комбинированный ДВС-кондиционер (фиг. 3) может быть снабжен сидящим на одном валу с компрессором 10 и турбиной 8 детандером 21, вход которого сообщен с выходом змеевика 9, а выход с входом подогревателя 14 воздуха через влагоуловитель-отстойник 22 конденсата воды. Последний оборудован сливным краном 23 и откачивающим водяным насосом 24, к выходу которого подключены водяные форсунки 25, установленные в магистралях на входе в воздушную систему 8 и на входе в змеевик 9. Комбинированный ДВС-кондиционер может быть оборудован теплоизолированными шкафами, представляющими собой холодильник 26 и подогреватель 27, выходы которых сообщены с атмосферой или салоном автомобиля, а входы с магистралями соответственно на входе и выходе подогревателя 14 воздуха через краны-регуляторы 28 расхода воздуха.

Комбинированный ДВС-кондиционер работает следующим образом. Выхлопные газы ДВС 1 через выхлопной патрубок 2, выполненный на конце в виде сопла эжектора 3, обеспечивают вакуумирование полостей 5 по нагреваемой среде охладителя 6 воздуха, выполненного в том числе и в виде полого, герметичного и теплоизолированного от атмосферы каркаса рефрижератора 7, перепад давления на стенках которого используется для привода воздушной турбины 8, воздух на которую поступает из атмосферы, в частном случае, проходя и через полость по охлаждаемой среде змеевику 9 охладителя 6 воздуха. Охладившись в турбине за счет преобразования тепловой энергии в механическую, воздух обеспечивает в змеевике 11 охлаждение свежего заряда воздуха для ДВС 1 (поступающего из компрессора 10, который использует механическую энергию воздушной турбины 8), стенок рефрижератора 7 и в частном случае в змеевике 9 воздуха, поступающего из атмосферы на вход турбины 8. Охлажденный в охладителе 6 и сжатый в компрессоре 10 воздух поступает во впускной воздушный патрубок 13 ДВС 1, обеспечивая повышение мощности и экономичности ДВС, в том числе и с внешним смесеобразованием при бесдетонационном горении топлива, без каких-либо переделок самого ДВС, что позволяет таким образом дорабатывать ДВС на уже эксплуатируемых автомобилях (фиг.1).

При желании использовать располагаемую мощность воздушной турбины и хладоемкость воздуха после нее для обеспечения и кондиционирования воздуха в самом автомобиле в условиях сухого и жаркого климата, часть воздуха после компрессора 10 подается в подогреватель 14 воздуха, а из него через воздушный фильтр 16 подводится к дополнительному эжектору 17, который, засасывая атмосферный воздух, через воздушный фильтр 18 и охладитель 6 воздуха подает его при заданных температуре и расходе через коллектор 19 на пассажиров, сидящих в салоне автомобиля. Регулирование параметров кондиционируемого воздуха осуществляется с помощью кранов-регуляторов 15 и 20 расхода, через которые обеспечивается смешение в любой заданной пропорции соответственно горячего и холодного воздуха (фиг.2).

Кондиционирование салона автомобиля в условиях сухого и жаркого климата может быть обеспечено и без эжектора 17 и фильтров 16 и 18, но для этого весь воздух, предназначенный для системы кондиционирования, должен быть отобран из компрессора 10 и после охлаждения в охладителе 6 подан на детандер 21, а из него в коллектор 19 (фиг.3). Такой вариант охлаждения и подачи кондиционированного воздуха в салон автомобиля интересен тем, что может быть обеспечено более глубокое охлаждение воздуха, интересное в том смысле, что может быть обеспечен холодом холодильник автомобиля, но самое главное он может обеспечить подготовку воздуха в соответствии со всеми требованиями к системе кондиционирования воздуха в условиях и сухого и влажного жаркого климата, причем без применения каких-либо химических веществ.

Учитывая, что при охлаждении даже на 10^оС влажного воздуха он становится насыщенным влагой, а в соответствии с требованиями к системе кондиционирования его влажность не должна превышать 40.70% выделение влаги из воздуха может быть обеспечено за счет предварительного более глубокого охлаждения в охладителе 6 воздуха и детандере 2 с выделением влаги из воздуха в виде тумана с последующим удалением его во влагоуловителе-отстойнике 22 конденсата воды, например, центробежного или смесительного (с водой) типа, после чего насыщенный воздух подогревается в нагревателе 14 воздуха, где его температуpа и влажность изменяются до величин в соответствии с требованиями к кондиционируемому воздуху, регулирование параметров которого обеспечивается степенью открывания крана 20 за счет подмешивания холодного воздуха к горячему воздуху после подогревателя 14 воздуха, до и после которого воздух может быть отобран через краны 28 соответственно в холодильный 26 и нагревательный 27 шкафы, предназначенные, например, для хранения прохладительных напитков и продуктов питания.

Необходимая в условиях влажного жаркого климата интенсификация процессов теплообмена в охладителе 6 воздуха с целью более глубокого охлаждения воздуха для удаления лишней влаги из кондиционируемого воздуха может быть обеспечена за счет того, что при включении насоса 24 вода, ранее выделенная из кондиционируемого воздуха, с помощью форсунок 25 распыливается в виде тумана в воздух, поступающий в охладитель 6 воздуха как в полость по охлаждаемой, так и подогреваемой среде, где процессы нагрева и охлаждения воздуха, сопровождаемые соответственно испарением и конденсацией влаги с обеих сторон стенок охладителя 6 воздуха, не менее чем на порядок увеличивают удельный коэффициент теплопередачи по сравнению с эксплуатацией этой системы в условиях сухого жаркого климата, когда выделения влаги не происходит, глубокого охлаждения не требуется и воздух с обеих сторон стенок охладителя 6 воздуха остается недосыщенным влагой.

Впрыск воды в воздух становится полезным и в том смысле, когда использование компрессора 10, воздушной турбины 8 и детандера 21 объемного типа, специальных масел для их смазки не требуется, так как их вполне может заменить распыленная в воздух вода, пусть даже и запасенная на борту автомобиля, эксплуатируемого в условиях сухого жаркого климата.

Проведенные расчеты показывают, что при заданном давлении 1,8 ата в выхлопном патрубке 2 ДВС1 в зависимости от выбранного коэффициента эжекции эжектора 3 в пределах 0,4.1,5 и температуры атмосферы +30^оС при влажности 70% (Сочи) и 40^оС при влажности 10% (Ашхабад) обеспечиваются следующие пределы изменения параметров при заданном понижении температуры кондиционируемого воздуха на 10^оС, влажность кондиционируемого воздуха 17.60% температура воздуха после влагоуловителя 22.12^оС, температура воздуха за воздушной турбиной 8.11,5^оС, давление свежего заряда ДВС 1,24.1,4 ата, улавливание из воздуха до 50.70% влаги, перепад температур на стенках охладителя воздуха 10. 40^оС при влажном и 20.47^оС при сухом атмосферном воздухе (когда коэффициент теплопередачи уменьшается во много раз), расход кондиционируемого воздуха 25 кг/ч на каждого из пяти пассажиров легкового автомобиля, оснащенного ДВС мощностью 60 л.с.

Можно утверждать, что широкое внедрение предлагаемой схемы комбинированного ДВС-кондиционера в народное хозяйство позволит получить многомиллионные прибыли как за счет повышения мощности и снижения удельного расхода топлива на ДВС, так и несравненно большей простоте и меньшей стоимости доработки, в том числе и эксплуатируемых ДВС, для придания им функций кондиционера и холодильника, которые к тому же в отличие от традиционных, например, фреоновых, экологически чисты и не потребляют никакой энергии, способствуя наоборот экономии топлива и материалов при изготовлении и эксплуатации ДВС, особенно с внешним смесеобразованием, где комбинированная схема практически не применяется из-за сложности традиционных систем охлаждения свежего заряда поршневой части ДВС.

Сущность изобретения: привод компрессора наддува воздухом двигателя внутреннего сгорания (ДВС) осуществляется воздушной турбиной, запитка которой воздухом осуществляется из атмосферы, а сброс воздуха из нее - с помощью эжектора, работающего на энергии выхлопных газов ДВС и создающего перепад давления на воздушной турбине, при срабатывании которого получается не только механическая энергия для привода компрессора, но и внутренний для системы хладоресурс, который и используется для охлаждения воздуха после компрессора, в частном случае применительно к простейшим по исполнению холодильника и в том числе с улавливанием лишней влаги системы кондиционирования воздуха для пассажиров, например, легкового автомобиля, ДВС которого в том числе и внешнего смесеобразования при доработке под комбинированный вариант, в том числе и на уже эксплуатируемых автомобилях, даже увеличивает мощность и уменьшает расход топлива при абсолютной безопасности и экологичности новых простых систем комбинированного ДВС-кондиционера. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ КОНДИЦИОНЕР, содержащий поршневой двигатель с выходным патрубком и турбину с входным и выходным патрубками, механически связанную с компрессором, входной патрубок которого соединен с атмосферой, а выходной подсоединен к входному патрубку ДВС через полость по охлаждаемой среде холодильника, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения поступающего в двигатель заряда при низких теплонапряженностях и напорах компрессора и турбины, он снабжен основным эжектором с трубопроводами высокого и низкого давления соответственно с входными и выходными патрубками, входной патрубок турбины сообщен с атмосферой, а выходной через полость по нагреваемой среде холодильника связан с входным патрубком трубопровода низкого давления эжектора, входной патрубок трубопровода высокого давления которого подсоединен к выходному патрубку ДВС, а выходной сообщается с атмосферой. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что полость по нагреваемой среде охладителя воздуха выполнена в виде полого герметичного каркаса рефрижератора с теплоизолированными стенками со стороны атмосферы. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что входные патрубки компрессора и турбины, а также выходной патрубок компрессора подсоединены к полостям по охлаждаемой среде холодильника. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен краном-регулятором расхода, запорным органом, установленным параллельно крану-регулятору расхода, теплообменником, установленным в выходном патрубке поршневого двигателя, дополнительной полостью по охлаждаемой среде, подключенной к охладителю, фильтром, коллектором подачи воздуха в пассажирский салон и дополнительным эжектором с трубопроводами высокого и низкого давления соответственно с входными и выходными патрубками, причем входной патрубок трубопровода высокого давления дополнительного эжектора через кран-регулятор, запорный орган и теплообменник соединен соответственно с входным патрубком поршневого двигателя и выходным патрубком компрессора, входной патрубок трубопровода низкого давления дополнительного эжектора через дополнительную полость по охлаждаемой среде охладителя и фильтр сообщен с атмосферой, а выходной патрубок основного эжектора соединен с коллектором подачи воздуха в пассажирский салон. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он содержит первую магистраль, расположенную между охладителем и входным патрубком поршневого двигателя, и детандер с входным и выходным патрубками, причем на валу компрессора и турбины установлен детандер, входной патрубок которого подключен к первой магистрали и через регулировочный кран к выходному патрубку компрессора, а выходной патрубок к коллектору подачи воздуха в пассажирский салон. 6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что он снабжен второй магистралью, расположенной между детандером и коллектором подачи воздуха в пассажирский салон, влагоуловителем-отстойником конденсата воды со сливным краном и трубопроводом, подогревателем кондиционируемого воздуха, установленным в выходном патрубке поршневого двигателя, и третьей магистралью с краном-регулятором расхода воздуха, размещенной параллельно подогревателю, причем во второй магистрали расположены последовательно влагоуловитель-отстойник конденсата воды и подогреватель кондиционируемого воздуха. 7. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что он содержит насос, установленный в сливной магистрали влагоуловителя-отстойника, и водяные форсунки, расположенные во входном патрубке турбины, и охладителя воздуха. 8. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что он снабжен теплоизолированными шкафами в виде холодильника и подогревателя соответственно и трубопроводом с кранами, размещенным за влагоуловителем-отстойником и подогревателем, причем трубопровод с кранами соединен с атмосферой или пассажирским салоном.