ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02B47/02 

Изобретение относится к двигателестроению и может найти применение как энергетическая установка для транспортных средств, судов и т.д.

Известен тепловой двигатель, который содержит водяной насос высокого давления, форсунку для впрыска воды в цилиндр, снабженный электронной системой управления моментом начала впрыска, продолжительностью и законом впрыска в зависимости от нагрузки с коррекцией от температуры деталей, т.е. работы двигателя.

Однако впрыск воды в цилиндр существенно не повышает КПД теплового двигателя, т. к. снижается цикловая температура, т.е. часть тепла тратится на фазовое превращение воды в пар в цилиндре двигателя.

Целью изобретения является повышение КПД теплового двигателя, снижение удельного расхода топлива (ge).

Цель достигается тем, что детали камеры сгорания выполняются с теплоизоляцией, что позволяет часть тепла, отводимого от деталей камеры сгорания, использовать в работу расширения пара на такте расширения рабочего тела.

Для уменьшения или исключения расхода воды тепловой двигатель снабжен системой выпуска отработавших газов, состоящей из трубопроводов, глушителя, устройства для конденсирования водяных паров, фильтра очистки конденсата и насоса откачки его в водяной бак. К двигателю большой мощности на впуске подключен турбокомпрессор, а на выпуске -силовая турбина, соединенная через редуктор с коленчатым валом. Использование большой внутренней энергии смеси отработавших газов и пара на силовой турбине обеспечивает высокое КПД теплового двигателя.

Система управления подачей воды должна обеспечить отключение подачи воды за несколько минут до остановки двигателя с целью полного удаления паров воды из двигателя для исключения коррозии его деталей.

На фиг.1-3 представлен тепловой двигатель.

На фиг.1 дана схема теплового двигателя; на фиг.2 один из вариантов дизеля продольный разрез камеры сгорания двигателя с противоположно-движущими поршнями; на фиг.3 вид на днище одного из поршней этого двигателя.

Тепловой двигатель состоит из адиабатного дизеля 1 с тепловой изоляцией деталей камеры сгорания, турбокомпрессора 2, силовой турбины 3. К дизелю 1 подключен водяной насос 4 высокого давления, к которому через трубопроводы 5 подсоединены форсунки 6 впрыска воды. Система выпуска отработавших газов 7 снабжена глушителем 8, за которым устанавливается устройство 9 конденсирования паров воды из выхлопных газов, которое соединено с баком 10 для воды через фильтр 11 очистки конденсата и насос 12.

Водяной насос снабжен электронной системой управления (СУ) 13, которая одновременно управляет моментом начала впрыска, длительностью и законом подачи.

Учитывая, что вода в цилиндре двигателя превращается в пар и повышает давление, то для плавности повышения давления может быть осуществлен ступенчатый впрыск воды.

На фиг.2 изображен продольный разрез камеры сгорания двигателя с противоположно движущимися поршнями, который состоит из теплоизолированных гильзы цилиндра 14 и поршней 15 и 16.

На фиг.3 изображен вид на поршень 15 этого варианта двигателя, форсунка 6 служит для впрыска воды, форсунка 17 для впрыска топлива.

Для эффективного отбора тепла от деталей камеры сгорания впрыск воды осуществляется раньше, чем подача топлива. Это дает возможность использования форсунки для подачи воды, затем топлива, что значительно улучшает условия работы форсунки в связи с ее эффективным охлаждением.

Для снижения стоимости двигателя водяной насос высокого давления может быть встроен в топливный насос. Однако, как показали расчеты, использовать одну и ту же плунжерную пару для подачи воды и топлива не представляется возможным, т.к. на режиме максимальной мощности цикловая подача воды по массе может превышать цикловую подачу топлива более чем 2-2,5 раза. При такой подаче воды происходит достаточно эффективное охлаждение деталей камеры сгорания, что обеспечивает работоспособность теплового двигателя на уровне существующих дизелей.

Тепловой двигатель работает следующим образом.

После запуска и прогрева двигателя в зависимости от теплового режима и нагрузок осуществляется впрыск воды в цилиндр двигателя форсункой 6, которая через трубопроводы 5 подключена к водяному насосу 4.

Электронная система управления 13 одновременно управляет моментом начала впрыска воды, длительностью и законом подачи, может отключить подачу воды на режиме малых нагрузок, снабжена устройством для отключения подачи воды перед остановкой двигателя.

Впрыснутая в цилиндр вода, испаряясь, отбирает тепло от перегретых деталей камеры сгорания и превращается в пар, который существенно повышает давление в цилиндре дизеля. К концу сжатия впрыскивается топливо через форсунку 17 по закону, широко распространенному в дизелях. Топливо сгорает, температура и давление в цилиндре двигателя возрастают, сгоревший заряд и перегретый пар совершают работу на такте расширения. Для получения большей работы на такте расширения целесообразно иметь длинноходный дизель, т.к. энтальпия (внутренняя энергия) для совершения работы перегретого пара выше, чем у воздуха и азота. Отработавшие газы и пар (в дальнейшем будет обозначено ОГ) поступают в турбокомпрессор 2 для наддува воздуха и далее в силовую турбину 3, которая связана с коленчатым валом через редуктор. Совершив работу в силовой турбине, ОГ поступает в систему выпуска 7, которая снабжена глушителем 8 и устройством конденсирования паров воды 9. Конденсат воды через фильтр 11 откачивается насосом 12 в водяной бак 10, а оттуда поступает в водяной насос высокого давления 4.

Предложенный тепловой двигатель наиболее эффективен для магистральных автомобилей, тепловозов, судов, т.к. двигатели для них имеют средние и низкие обороты, что позволяет эффективно использовать тепло от теплоизолированных деталей камеры сгорания в работу расширения пара. Указанный двигатель может быть использован и для легковых автомобилей, но без силовой турбины, т. к. при малых расходах ОГ достичь высокого КПД силовой турбины весьма проблематично.

Предложенный тепловой двигатель имеет высокий КПД за счет преобразования тепла теплоизолированных деталей в работу на такте расширения, в турбокомпрессоре и силовой турбине, обладает высокой работоспособностью по сравнению с адиабатным дизелем, т.к. теплоизолированные детали камеры сгорания охлаждаются водой и паром и этим создаются условия смазки поршней, гильз цилиндров и других деталей.

Использование: в двигателестроении и может найти применение как энергетическая установка для транспортных средств. Сущность: тепловой двигатель содержит водяной насос высокого давления, форсунку для впрыска воды в цилиндр, снабженный электронной системой управления моментом начала впрыска, продолжительностью и законом впрыска в зависимости от нагрузки с коррекцией от температуры деталей, в нем детали камеры сгорания выполнены с теплоизоляцией, а двигатель снабжен системой выпуска отработавших газов, состоящей из трубопроводов, глушителя, устройства для конденсирования водяных паров, фильтра очистки конденсата и насоса откачки его в водяной бак, кроме того, к двигателю на впуске подключен турбокомпрессор, а на выпуске - силовая турбина, соединенная через редуктор с коленчатым валом. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Тепловой двигатель, содержащий водяной насос высокого давления, форсунку для впрыска воды в цилиндр, снабженный электронной системой управления моментом начала впрыска продолжительностью и законом впрыска в зависимости от нагрузки с коррекцией от температуры деталей, т.е. работы двигателя, отличающийся тем, что детали камеры сгорания выполнены с теплоизоляцией, а двигатель снабжен системой выпуска отработавших газов, состоящей из трубопроводов, глушителя, устройства для конденсирования водяных паров, фильтра очистки конденсата и насоса откачки его в водяной бак. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что к нему на впуске подключен турбокомпрессор, а на выпуске силовая турбина, соединенная через редуктор с коленчатым валом.