СПОСОБ ПРЕВРАЩЕНИЯ ИЗВЕСТНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО С ВОДЯНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ, БЕЗ ИЗМЕНЕНИЯ ИХ КОРПУСОВ В ОБРАТНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ ВНУТРИКАСКАДНОГО ДЕЙСТВИЯ В КАЧЕСТВЕ НОВЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ИМ.В.У.КОПАЕВА Российский патент 1997 года по МПК F02B61/00 F02B65/00 F02B69/00 

Изобретение касается совершенствования транспортных двигателей внутреннего сгорания за счет их реконструкции.

Изобретение относится к созданию производства новых транспортных двигателей внутрикаскадного действия в двигателестроении, а именно к способам превращения известных транспортных двигателей /ДВС/, преимущественно с водным охлаждением без изменения их корпусов, в обратные холодильные машины внутрикаскадного действия в качестве новых транспортных двигателей, и может быть использовано для удобной, надежной и единой замены в производстве транспортных / известных/ ДВС, например для автобусов, грузовых и легковых машин, сельскохозяйственных машин, а также может быть использовано для замены ДВС большой мощности, например 800 20000 л.с. на морском и речном транспорте.

Наиболее близкими к изобретению по технической сущности и достигаемому результату являются различные известные способы использования теплоты в известных теплосиловых установках и холодильных машинах для получения полезной работы или соответственно холода.

Известны способы использования теплоты жидкого топлива в ДВС для получения полезной работы, сущность которых заключается в том, что жидкое топливо направляют в цилиндры двигателя для сжигания и получения полезной работы, а затем отработанное тепло выводят из корпуса двигателя в окружающую среду через систему охлаждения и систему выхлопных газов двигателя [1]
Однако эти способы имеют существенные известные недостатки: необходимо, например, в эксплуатации использовать преимущественно турбонаддув для повышения эффективности использования теплоты топлива и т.д. но при этом необходимо и отводить в той же степени отработанное тепло в окружающую среду для охлаждения двигателя. Это и обуславливает низкие эксплутационные показатели на выходе двигателей и, как следствие, необходимость совершенствования известных ДВС, особенно транспортных ДВС для транспортных средств.

Известен и другой способ непрерывного использования теплоты из холодильной камеры с продуктами питания или изделиями для их охлаждения, в котором хладагент через замкнутый контур холодильной компрессионной установки подают в холодильную камеру. После отделения тепла из камеры и образования пара его направляют в компрессор для сжатия, затем передают его в конденсатор для охлаждения и конденсации и перед холодильной камерой опять направляют в дроссельный клапан для снижения температуры и цикл повторяют [2]
Недостаток этого способа (хотя он имеет и преимущества например, способ позволяет осуществить работу в холодильной камере по принципу чем больше внутреннего тепла, тем лучше; заставляет непрерывно отбирать внутреннее тепло для получения надежного холода в холодильной камере и обеспечивает холодильной камере высокую степень отделения внутреннего тепла из холодильной камеры с продуктами питания или изделиями) состоит в том, что этот способ не может быть осуществлен в другой теплосиловой установке, например в транспортном ДВС, так как позволяет использовать его только в холодильных камерах по охлаждению продуктов питания или изделий.

Известен также способ использования в качестве источника энергии отработанного тепла /промышленных установок, электростанций и т.д./ или солнечного излучения с температурой источника тепла до 100^oC в двигателе с циклом, обратном циклам компрессионных холодильных установок для получения полезной работы, в котором рабочую жидкость /мителенхлорида или фреона/ замкнутого контура нагревают в испарителе и расширяют, а полученный пар направляют в цилиндр с поршнем для совершения полезной работы, а затем отработанный пар направляют в конденсатор, охлаждаемый водой, для охлаждения и после цикл повторяют в замкнутом контуре [3]
Недостаток этого способа (несмотря на ряд достоинств, например, возможность получения низкой стоимости вырабатываемой энергии, бесшумности, нетоксичного выхлопа, большого ресурса работы, сравнительно большой мощности
2880 л. с.) заключается в том, что проблему замены транспортных ДВС он не решает, так как требует стационарных источников тепла и вследствие этого для транспортных средств не пригоден.

Однако существенные недостатки указанных способов использования теплоты заключаются еще и в том, что они не решают задачи по оптимизации, получению новых характеристик по максимальной мощности, экономичности, а также задачи совместной работы между собой в другом /для них/ корпусе, например в корпусе транспортного ДВС, так как они не предусмотрены для этого.

Задача изобретения получение на выходе известным транспортным двигателем /ДВС/, преимущественно с водяным охлаждением, без изменения их корпусов высоконовых эксплутационных характеристик путем превращения последних в обратные холодильные машины внутрикаскадного действия в качестве новых транспортных двигателей.

Задача решается способом превращения известных транспортных двигателей внутреннего сгорания /ДВС/, преимущественно с водяным охлаждением, без изменения их корпусов в обратные холодильные машины внутрикаскадного действия в качестве новых транспортных двигателей, путем сжигания жидкого топлива в цилиндрах на 1-м каскаде для получения полезной работы, непрерывного и полного отделения теплоты внутри от корпуса двигателя, формирования второго каскада использования отделенной теплоты с последующим проведением использования двух каскадов по мощности в одном корпусе двигателя.

Способ заключается в том, что реализацию второго каскада осуществляют после сжигания жидкого топлива на 1-м каскаде, например путем сжигания известным способом жидкого топлива в некоторых топливных цилиндрах теплоизолированного снаружи корпуса двигателя, а формирование второго каскада осуществляют путем отделения жидким хладагентом замкнутого контура в корпусе двигателя внутренней теплоты с последующим накоплением этой теплоты сухими парами хладагента, расширения этих паров в замкнутом внутри корпуса контуре, например в обратно-холодильном каскадного действия, для получения повторной полезной работы в нем до достижения конверсии по крайней мере 43% теплоты от всего сгоревшего в цилиндрах 1-го каскада жидкого топлива, с последовательной выдержкой при конденсации, охлаждении хладагента и повторением циклов круговых процессов в замкнутом внутри корпуса контуре параметрами изменения фазовых переходов состояния хладагента, а полученные мощности от каскадов в корпусе двигателя реализуют в зависимости от нагрузки автоматически путем суммарного или раздельного использования их в зависимости от нагрузки, при этом температуру и мощность в корпусе двигателя поддерживают примерно постоянно вторым каскадом в известном интервале температуры двигателя 60-90^oC.

Поддержание мощностей от каскадов в двигателе осуществляют в зависимости от нагрузки автоматически, например, при суммарно-максимальной мощности каскадов в зависимости от оптимальной нагрузки мощности в топливных цилиндрах 1-го каскада снижают до минимального уровня путем двух уменьшения топлива, подаваемого в цилиндры 1-го каскада, а с понижением мощности замкнутого контура 2-го каскада в зависимости от максимальной нагрузки мощность в топливных цилиндрах 1-го каскада повышают до минимального уровня путем увеличения жидкого топлива, подаваемого в топливные цилиндры 1-го каскада двигателя.

Температуру внутри корпуса двигателя повышают с одного уровня на другой после уменьшения температуры рубашек цилиндров первого каскада в корпусе от одного заданного уровня до другого и поддерживают ее в заданном известном диапазоне рабочей температуры внутри корпуса двигателя.

Температуру нагрева топливных цилиндров 1-го каскада двигателя уменьшают с одного уровня на другой путем изменения количества жидкого хладагента, подаваемого на охлаждение в зоны внутреннего нагрева двигателя, а мощность замкнутого контура 2-го каскада двигателя повышают с одного уровня на другой путем изменения количества направляемого хладагента, несущего теплоту на повторный теплоперепад.

Сухие пары хладагента перед расширением накапливают в корпусе. Реализацию 2-го каскада в климатических условиях неполадок 1-го каскада Крайнего Севера, например, осуществляют после внешнего сжигания любого вида топлива, например путем сжигания известным способом твердого или пылевидного и т.д. топлива в известных устройствах снаружи корпуса двигателя для получения повторной полезной работы, а формирование второго каскада в этих же условиях осуществляют тоже отделением жидким хладагентом замкнутого контура внешней теплоты корпуса с последующим повторением операций и приемов по п.1.

На чертеже изображена схема работы по предложенному способу, один из вариантов выполнения системы.

По предложенному способу теплоту топлива жидким хладагентом 5 внутри корпуса работающего двигателя 3 из зон нагрева 4, 8 и 9 одновременно, после сжигания жидкого топлива в цилиндрах 1 и 1 /показано стрелками/ первого контура теплоизолированного снаружи корпуса 2 двигателя 3 для получения полезной работы, а затем ее /теплоту в виде пара высокого давления/ накапливают в рессивере 14, куда подают ее из теплообменников 8 и 9 из системы охлаждения 4 по трубопроводам 10, 11, 12 и 6, через обратный клапан 13 и через средства контроля и регулирования, например известные датчики температуры 15, 18, 21, 24 теплоносителя высокого давления, клапаны расхода высокого давления 16, 19, 22, 25 теплоносителя и регуляторы высокого давления 17, 20, 23, 26 того же теплоносителя с известными связями между собой /показано стрелками/.

После этого теплоноситель высокого давления расширяют в цилиндрах 28 и 28 для получения повторной полезной работы на втором каскаде, куда направляют его по трубопроводу 27, и осуществляют конверсию по крайней мере не менее 43% тепла от всего сгоревшего в цилиндрах 1 и 1 жидкого топлива на 1-м каскаде, а затем его /после расширения/ охлаждают, очищают и конденсируют соответственно в теплообменнике 30, масловлагоотделителе 31, конденсаторе 32, куда направляют его по трубопроводу 29 и по трубопроводам 33, 35 и 36, топливным насосом 34 снова подают жидкий хладагент опять в теплообменники 8 и 9 и в систему охлаждения 4 двигателя 3 и за счет внутрикаскадного контура внутри двигателя 3, круговой цикл повторяют.

В качестве хладагента могут быть использованы любые из известных хладагентов [4] например фреон 22, как обеспечивающий фазовые переходы круговых процессов в замкнутом контуре при эксплуатации внутри двигателя 3.

В данном случае фреон 22 используется как предпочтительный в следующих отношениях: например, не замерзает даже при T= -70^oC, обеспечивает получение пара высокого давления P₁= 20-24 кгс/см² и P₂=40 -44 кгс/см² при средних эксплуатационных температурах двигателя, т.е. при T_ср1= 50-60^oC и при T_ср2 85-90^oC.

Синхронизация движения поршней в цилиндрах 2-х контуров может быть осуществлены путем изменения фаз впуска и выпуска клапанов регулирования и/или/ изменения профиля кулачков распредвала.

В качестве внутреннего источника тепла для замкнутого внутрикаскадного контура в двигателе 3 используется известное количество тепла, сбрасываемого в окружающую среду работающим двигателем: с выхлопными газами, проходящими по трубопроводу 7, и теплообменники 8 и 9 25% 40% из системы охлаждения 4 - 25% 15% через корпус двигателя 3 уходящей теплоты в окружающую среду 5-8% а также могут быть использованы и внешние источники тепла на любых видах топлива, дерева, резины, каменного угля и т.д. для районов Крайнего Севера, например в аварийных условиях 1-го каскада [5]
Регулирование давления, температуры и расхода хладагента высокого давления может быть осуществлено путем использования известных датчиков температуры, клапанов расхода с регуляторами по давлению, показано стрелками на чертеже с соответствующими связями между собой.

Суммарная полезная мощность от 2-х каскадов в двигателе может быть использована автоматически в зависимости от нагрузки в режиме "теплового маятника", т.е. то включают их вместе, то раздельно.

Так как замкнутый контур внутрикаскадного действия в двигателе 3 осуществляет получение повторной полезной работы больше 1-го контура - конверсия, по крайней мере 43% теплоты топлива от сгоревшего в цилиндрах 1-го каскада жидкого топлива, так как КПД паровых его цилиндров 28 и 28 больше цилиндров 1-го контура 75% так как он осуществляет почти полное отделение внутренней теплоты для получения повторной полезной работы известное количество сбрасываемого тепла в окружающую среду, то в результате этого замкнутый внутри двигателя контур используется для поддержания постоянной температуры и мощности двигателя в режиме "теплового маятника" в зависимости от нагрузки, т.е. замкнутый внутри двигателя контур отключает 1-й контур первого каскада при снижении нагрузки до номинальной или оптимальной, а при возрастании нагрузки до максимальной включает 1-й контур первого каскада и максимальную нагрузку преодолевают вместе.

Таким образом, так как замкнутый внутрикаскадный контур в двигателе обеспечивает процессы обратного замкнутого кругового цикла в двигателе, то он позволяет снизить удельный расход топлива, значительно сократить токсичность отработавших газов за счет их резкого охлаждения, увеличить пробег транспортного средства на 1-й заправке топливного бака в 2 раза.

Источники информации
1. Мацкерле Ю. Автомобильные двигатели с воздушным охлаждением. М. Машгиз, 1959, с. 63-67, фиг.36, 37, табл.10 и 11.

2. Черняк О.В. Рыбчинская Г.Б. Основы теплотехники и гидравлики. М. Высшая школа, 1979, с.236-239, 24.1, 24.2.

3. РЖ ВИНИТИ сер.N 39, N 7, 1975, УДК 621.4.004.8, 7.39.393. Двигатель на отработанном тепле /Двигатель обратный компрессионный холодильной установке/. /Сан/. 1974, 21 N 1, 39, 41 /англ./.

4. Богданов О.Н. и др. Холодильная техника, свойства веществ. Справочник. Л. Машиностроение, Ленинградское отделение, 1975, с.20, табл.8, с.91, табл.18.

5. Черняк О.В. Рыбчинская Г.Б. Основы теплотехники и гидравлики. М. Высшая школа, 1979, с.217, 21.9.3

Использование: в двигателестроении - создание производства новых транспортных двигателей внутрикаскадного действия, относится к способам превращения известных транспортных двигателей, преимущественно с водным охлаждением, без изменения их корпусов в обратные холодильные машины внутрикаскадного действия в качестве новых транспортных двигателей и может быть использовано для удобной, надежной и единой замены в производстве транспортных двигателей. Сущность изобретения: способ превращает известные транспортные двигатели в обратные холодильные машины внутрикаскадного действия в качестве новых транспортных двигателей с новым принципом работы за счет замкнутого внутри корпуса двигателя контура, например обратно-холодильного каскадного действия с обратным компрессионным циклом холодильных установок на втором каскаде. Изобретение обеспечивает отделение внутреннего тепла в корпусе после сжигания топлива на 1-м каскаде, получение из него повторной полезной работы в замкнутом внутри корпуса контуре до достижения конверсии в нем, по крайней мере 43% теплоты от всего сгоревшего на 1-м каскаде в цилиндрах топлива. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ превращения известных транспортных двигателей внутреннего сгорания преимущественно с водяным охлаждением, без изменения их корпусов в обратные холодильные машины внутрикаскадного действия в качестве новых транспортных двигателей путем сжигания жидкого топлива в цилиндрах на первом каскаде для получения полезной работы, непрерывного и полного отделения теплоты внутри от корпуса двигателя, формирования второго каскада использования отделенной теплоты с последующим проведением использования двух каскадов в одном корпусе двигателя, отличающийся тем, что реализацию второго каскада осуществляют после сжигания жидкого топлива на первом каскаде, например, путем сжигания известным способом жидкого топлива в некоторых топливных цилиндрах теплоизолированного снаружи корпуса двигателя, а формирование второго каскада осуществляют путем отделения жидким хладагентом замкнутого контура в корпусе двигателя внутренней теплоты с последующим накоплением этой теплоты сухими парами хладагента, проведения расширения этих паров в замкнутом внутри корпуса контуре, например в обратно-холодильном каскадного действия, для получения повторной полезной работы в нем до достижения конверсии, по крайней мере 43% теплоты от всего сгоревшего в цилиндрах первого каскада жидкого топлива, с последовательной выдержкой при конденсации и охлаждении хладагента и повторением циклов круговых процессов в замкнутом внутри корпуса контуре параметрами изменения фазовых переходов состояния хладагента, а полученные мощности от каскадов в корпусе двигателя реализуют в зависимости от нагрузки автоматически путем суммарного или раздельного использования их в зависимости от нагрузки, при этом температуру и мощность в корпусе двигателя поддерживают примерно постоянно вторым каскадом в известном интервале температуры двигателя 60 90^oС. 2. Способ по п. 1, заключающийся в том, что поддержание мощностей от каскадов в двигателе осуществляют в зависимости от нагрузки автоматически путем, например, при суммарно-максимальной мощности двух каскадов двигателя в зависимости от оптимальной нагрузки, мощность в топливных цилиндрах первого каскада снижают до минимального уровня путем уменьшения жидкого топлива, подаваемого в цилиндры первого каскада, а с понижением мощности замкнутого контура второго каскада в зависимости от максимальной нагрузки мощность в топливных цилиндрах первого каскада повышают до максимального уровня путем увеличения жидкого топлива, подаваемого в топливные цилиндры первого каскада двигателя. 3. Способ по пп. 1 и 2, заключающийся в том, что температуру внутри корпуса двигателя повышают с одного уровня на другой после уменьшения температуры рубашек цилиндров первого каскада в корпусе от одного заданного уровня до другого и поддерживают ее в заданном известном диапазоне рабочей температуры внутри корпуса двигателя. 4. Способ по п. 1, заключающийся в том, что температуру топливных цилиндров первого каскада двигателя уменьшают с одного уровня на другой путем изменения количества жидкого хладагента, подаваемого на охлаждение в зоны внутреннего нагрева двигателя, а мощность замкнутого контура второго каскада двигателя повышают с одного уровня на другой путем изменения количества направляемого хладагента, несущего теплоту на повторный теплоперепад. 5. Способ по пп. 1 3, заключающийся в том, что сухие пары хладагента перед расширением накапливают в корпусе. 6. Способ по п. 1, заключающийся в том, что реализацию второго каскада в климатических условиях неполадок первого каскада Крайнего Севера, например, осуществляют после внешнего сжигания любого вида топлива, например, путем сжигания известным способом твердого или пылевидного и т.д. топлива в известных устройствах снаружи корпуса двигателя для получения повторной полезной работы, а формирование второго каскада в этих же условиях осуществляют тоже отделением жидким хладагентом замкнутого контура внешней теплоты внутри корпуса с последующим повторением операций и приемов по п. 1.