ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02G5/00 

Изобретение относится к двигателям, преобразующим тепловую энергию сгорания топлива в механическую энергию, к двигателям, работающим на разных рабочих средах, а более конкретно к поршневым дизельным двигателям с турбонаддувом и свободно поршневым дизельным генератором газа с газовой турбиной, работающей на внешнюю нагрузку.

Известны двигатели внутреннего сгорания, содержащие поршневой двигатель и свободную газовую турбину, установленную на общем валу с воздушным компрессором или с другим потребителем механической энергии и соединенную с поршневым двигателем газовой связью (1), использующие энергию выпускных газов для повышения эффективной мощности двигателя. Выпускные газы поршневого двигателя в зависимости от степени формирования имеют температуру 370 ^oC 600^oC в двухтактных и 500 ^oC 700^oC в четырехтактных.

Использование энергии горячих выпускных газов с помощью газовой турбины позволяет поднять КПД дизельных двигателей до 35 ^oC 37% Однако выпускные газы после срабатывания в газовой турбине еще весьма горячие и уносят значительное количество тепловой энергии в атмосферу.

Кроме того, значительная часть тепла снимается системой водяного охлаждения и сдувается вентилятором с водовоздушного радиатора. Использовать это сравнительно низкопотенциальное тепло, составляющее 60 ^oC 65% от общего количества тепла сгорания топлива, не удается, поскольку все известные теплообменники регенераторы еще более понижают температурный потенциал уходящих газов.

Известна также теплосиловая установка с применением активного регенератора теплового насоса (2).

Однако тепловой насос этого устройства, работающий по парокомпрессионной схеме обратного цикла Карно, не способен обеспечить одновременно высокий теплоподъем (нагрев) и высокую эффективность преобразования тепла. Задачей изобретения является существенное повышение эффективности преобразования тепловой энергии в поршневом двигателе внутреннего сгорания далеко за пределы, установленные идеальным циклом Карно, например до 80 ^oC 90% и выше.

Естественно, такая задача может быть решена только при полном усвоении тепловой энергии топлива и привлечении энергии окружающей среды.

Эта задача может быть решена применением активного регенератора тепла - центробежного изохорного теплового насоса с замкнутым ротором, заполненным самыми эффективными рабочими газами (3), а именно тем, что на общем валу со свободной газовой турбиной дополнительно установлены изохорная теплонасосная центрифуга с полым замкнутым ротором, заполненным криптоном, ксеноном или их смесью, с охватывающим его кольцевым трубчатым парогенератором паровая турбина и высокоскоростной обратимый стартовый электропривод с выключающейся, например электромагнитной муфтой, при этом парогенератор, охватывающий изохорную центрифугу, связан паропроводом с входом паровой турбины, а ее выход с холодной приосевой зоной центрифуги и входом парогенератора, при этом приосевая зона центрифуги замкнута на рубашку водяного охлаждения двигателя.

Устройство схематически представлено на чертеже.

Устройство включает в себя поршневой дизельный двигатель с рубашкой водяного охлаждения, свободную газовую турбину 2, установленную на общем валу с воздушным компрессором 3 или с другим потребителем механической энергии и соединенную с поршневым двигателем газовой связью.

На общем валу с газовой турбиной дополнительно установлены изохорная теплонасосная центрифуга с полым замкнутым ротором 4, заполненным инертным газами с минимальной теплоемкостью криптноном, ксеноном или их смесью с охватывающим ротор кольцевым трубчатым парогенератором 5, далее паровая турбина 6 и высокоскоростной стартовый электропривод 7 с выключающейся, например электромагнитной муфтой 8.

Парогенератор центрифуги соединен паропроводом с входом паровой турбины, а ее выход с холодной приосевой зоной центрифуги 9, ресивером 10, циркуляционным насосом 11.

Холодная приосевая зона центрифуги замкнута гидравлической связью на рубашку водяного охлаждения двигателя.

Поршневой двигатель при этом может быть выполнен со свободно движущимися поршнями и не иметь собственного вала.

Устройство работает следующим образом.

Топливо впрыскивается в цилиндры двигателя и сгорает в них. Горячие газы при расширении в цилиндрах создают крутящий момент на валу двигателя или сжатый газ в газогенераторе.

Выпускные газы, имеющие достаточно высокие температуру, давление и скорость, дополнительно расширяются в газовой турбине 2 и отдают ей свою энергию, вращая вал с компрессором 3 или другим потребителем. Скорость вращения газовой турбины определяется параметрами выпускных газов и может достигать 50 ^oC 80 тыс. об/мин. Энергия выпускных газов, утилизированная с помощью газовой турбины 2, возвращается с сжатым в компрессоре 3 воздухом в двигатель 1 (турбонаддув) или передается другому потребителю.

Паровая турбина 6 утилизирует низкопотенциальное тепло, снимаемое жидкостной системой охлаждения.

Но температурный потенциал этого тепла совершенно недостаточен для прямого срабатывания в турбине даже на легкокипящих рабочих средах, т.к. его энергия слишком мала, хотя его количество составляет более 50% от общего.

Поэтому его потенциал предварительно повышается до значений, оптимальных для работы паровой турбины, т.е. до 500 ^oC 600 ^oC.

Повышение потенциала тепла происходит в изохорной теплонасосной центрифуге, в ее полом замкнутом роторе 4, заполненном тяжелыми инертными газами. При вращении ротора рабочий газ, заполняющий его полость, сжимается на периферии и расширяется в приосевой зоне. В центробежном поле центрифуги возникает радиальный температурный градиент.

где: j центробежное ускорение, ω угловая скорость, n число оборотов ротора, V_o окружная скорость ротора, R радиус полости ротора, K показатель адиабаты рабочего газа, C_p- теплоемкость при постоянном давлении, g₀ ускорение силы тяжести.

Этот температурный центробежный градиент создает распределение температур, аналогичное высотному распределению в атмосферах планет под действием гравитации, но интенсивность центробежных полей и соответственно температур в этих полях может быть в 10^5oC 10⁶ раз выше чем в атмосфере Земли, составляющий 6,49 к/км. Следовательно радиальный центробежный градиент для ротора, заполненного воздухом: может составлять 649 к/м при j 10⁵g_o.

Для криптона эта величина в 3 раза выше, а для ксенона в 4.

При диаметре ротора 0,25 м и угловой скорости 50 ^oC 60 тыс. об/м в криптоне и ксеноне могут быть получены температуры вполне достаточные для высокоэффективной работы паровой турбины.

При этом энергия на сжатие рабочего газа внутри ротора центрифуги затрачивается практически только во время раскрутки:

где: J момент инерции ротора, M масса ротора. Коэффициент преобразования теплонасосной центрифуги в период раскрутки составляет:

где m/M отношение массы рабочего газа внутри ротора к его общей массе.

Подставляя значения m/M0,1, получим: К пр.р 0,4.

Во время работы с постоянной угловой скоростью ω = const const энергия от привода (от газовой турбины) затрачивается лишь на компенсацию аэродинамических потерь при вращении гладкой поверхности ротора в атмосфере потерь на трение в подшипниках.

Аэродинамические потери могут быть очень существенно уменьшены снижением давления внутри охватывающей камеры парогенератора 5 при сохранении уровня теплопередачи.

Потери в подшипниках также могут быть сведены к минимуму применением скоростных серий шарикоподшипников, оптимальной смазки, их разгрузки с помощью магнитных подвесов.

Общие потери при вращении ротора по инерции при отключенном приводе можно оценить как:
Еи 0,05 Ер, тогда: Кпр. и Q/Еи Кпр.р Ер/Еи 0,4/0,05 8.

При такой высокой эффективности преобразования двигателю возвращается не только низкопотенциальное тепло продуктов сгорания топлива (50 ^oC 60% общего количества энергии), но и определенное количество тепловой энергии, окружающей атмосферы (среды).

Тепло центробежного сжатия снимается циркулирующей жидкостью, например водой, через рубашку парогенератора.

Горячий пар ( например 370^oC, 23 кг/см²) поступает в паровую турбину, срабатывает с ней и раскручивает общий вал с компрессором или другим потребителем до высокой скорости.

Преобразование тепловой энергии пара в турбине в механическую форму происходит с КПД≈40
Преобразование тепла в работу в паровой турбине, также как и в поршневом двигателе с турбонаддувом жестко ограничено по эффективности необратимыми потерями в соответствии с вторым законом и прямым циклом Карно.

Однако эти необратимые потери существенно перекрываются положительным поступлением тепловой энергии от активного регенератора теплоизохорной центрифуги.

Суммарный коэффициент преобразования двигателя может составлять:
K_Σ Кпр.д. • К и.ц. • Кп.т. 0,4 • 8 • 0,4 1,28
где: Кпр. д коэффициент преобразования дизеля, Ки.ц. изохорной центрифуги, К п.т паровой турбины, т.е. быть более 100 без всякого нарушения второго закона термодинамики.

Таким образом устройство решает поставленную задачу: существенно повысить эффективность преобразования энергии топлива в поршневых двигателях.

Высокоскоростной стартовый электропривод 7 обеспечивает независимую раскрутку ротора центрифуги совместно с газовой турбиной и воздушным компрессором. Такая независимая раскрутка существенно облегчает запуск поршневого двигателя, особенно в сложных климатических и метео-условиях (зимой, в горных условиях и т.д.).

Выключающая электромагнитная муфта обеспечивает сцепление электропривода с общим валом при запуске двигателя, расцепление с ним в рабочий период, сцепление с электроприводом и его перевод в генераторный режим в период рекуперативного торможения.

Технико-экономический эффект устройства состоит в значительном повышении эффективной мощности поршневых двигателей, в снижении расхода топлива.

Источники информации:
1. Орлин А.С, Алексеев В.П. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Маш. М. 1970, с. 50, 366, 320.

2. Шелест А.Н. Тепловой двигатель. А.с. N 70147 31.01.48.

3. Заявка ФРГ N 1014131, F 25 В (17а5), 20.02.58.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: устройство содержит поршневой дизельный двигатель с жидкостным охлаждением, свободную газовую турбину, установленную на общем валу с воздушным компрессором или другим потребителем механической энергии, и соединенную с поршневым двигателем газовой связью, изохорную теплонасосную центрифугу с полым внутрилопаточным замкнутым ротором, заполненным инертными газами, с охватывающим его кольцевым парогенератором, паровую турбину и высокоскоростной обратимый стартовый электропривод с выключающейся, например, электромагнитной муфтой. 1 ил.

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий поршневой дизельный двигатель с жидкостным охлаждением, свободную газовую турбину, установленную на общем валу с воздушным компрессором или с другим потребителем механической энергии и соединенную с поршневым двигателем газовой связью, отличающийся тем, что на общем валу со свободной газовой турбиной дополнительно установлены изохорная теплонасосная центрифуга с полым внутрилопаточным замкнутым ротором, заполненным инертными газами криптоном, ксеноном или их смесью с охватывающим его кольцевым парогенератором, паровая турбина и высокоскоростной обратимый стартовый электропривод с выключающейся, например, электромагнитной муфтой, при этом парогенератор, охватывающий изохорную центрифугу, связан паропроводом с входом паровой турбины, ее выход с холодной приосевой зоной центрифуги и входом парогенератора, а приосевая зона центрифуги замкнута на рубашку охлаждения поршневого двигателя.