КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С РЕГЕНЕРАТОРОМ Российский патент 1998 года по МПК F02B41/00 F02G5/02 F02C1/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано как для стационарных, так и для передвижных установок.

Известны комбинированные двигатели, состоящие из поршневого ДВС, газовой турбины и компрессора. Отработавшие в ДВС газы приводят в действие газовую турбину и компрессор, подающий сжатый воздух в цилиндр поршневого двигателя [1,с.15].

Однако в таких двигателях температура газов, выходящих из газовой турбины в атмосферу, относительно велика (330-500^oC), из-за чего значительны потери теплоты "с отработанными газами".

Наиболее близким к предлагаемому двигателю является комбинированный двигатель, содержащий поршневую часть, силовую турбину на одном валу с компрессором наддувочного воздуха и теплообменник-охладитель наддувочного воздуха. Отработанные газы из поршневой части поступают на вход силовой турбины, а затем выходят в окружающую среду. Атмосферный воздух поступает на вход компрессора, выходит из него с более высокой температурой, проходит через теплообменник-охладитель и охлажденный поступает в поршневую часть. На второй вход теплообменника-охладителя подается охлаждающий теплоноситель и подогретый в нем выходит в окружающую среду [1,с.17].

Недостатком этого двигателя тоже является высокая температура отработанных газов, выбрасываемых в окружающую среду из силовой турбины, а также потери теплоты в окружающую среду с охлаждающим теплоносителем, выходящим из теплообменника-охладителя, кроме того, необходимы затраты дополнительной энергии для подачи охлаждающего теплоносителя в теплообменник. Все это в совокупности понижает КПД двигателя.

Целью изобретения является повышение экономичности комбинированного двигателя путем уменьшения потерь теплоты с отработанными газами и с охлаждающим наддувочный воздух теплоносителем.

Цель достигается тем, что в комбинированном ДВС, содержащем поршневую часть, силовую турбину на одном валу с компрессором наддувочного воздуха и теплообменник, причем отработанные газы из поршневой части поступают на вход силовой турбины, а атмосферный воздух, пройдя через компрессор и через теплообменник, подается в поршневую часть, согласно изобретению теплообменник выполняет функцию регенератора, на второй вход которого подаются отработанные газы из выхода силовой турбины, и выбрасываются в атмосферу из второго выхода регенератора.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого комбинированного ДВС с регенератором, где 1 - поршневая часть; 2 - силовая турбина; 3 - компрессор; 4 - регенератор; 5 - вал, соединяющий силовую турбину и компрессор наддувочного воздуха.

Термодинамический цикл работы предлагаемого двигателя в координатах температура - энтропия (t-S) приведен на фиг.2, где 1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре, 2-a - изобарный подогрев воздуха в регенераторе, a-c - адиабатное сжатие в цилиндре, поршневой части, c-z - изохорный подвод теплоты в цилиндре, z-b - адиабатное расширение в цилиндре, b-a - изохорное падение давления в цилиндре с превращением потенциальной энергии газа в кинетическую энергию его потока, a-3 - изобарное расширение газа в трубопроводе с превращением кинетической энергии потока в потенциальную перед турбиной постоянного давления, 3-4 - адиабатное расширение газа в турбине, 4-5 - изобарное охлаждение газа в регенераторе, при этом теплота отдается воздуху, вышедшему из компрессора, 5-1 - изобарный отвод теплоты в окружающую среду.

Параметры газа в крайних точках процессов цикла приведены в табл.1.

В других вариантах предлагаемого двигателя подвод теплоты в цилиндре поршневой части может быть изобарным или смешанным, а силовая турбина может быть и "импульсной".

Расчет всего цикла произведен для 1 кг воздуха, показатель адиабаты которого K=1,4, а газовая постоянная R=0,287 кДж/кг•К. Теплота в изобарных процессах расссчитывалась по формуле , а в изохорных , где t₁ и t₂ - температуры в начале и в конце процессов.

Энтропия равна нулю при 0^oC и 760 мм рт.ст. Степень регенерации в идеальном термодинамическом процессе равна единице.

Теплота, подведенная извне, q_cz= 559 кДж/кг. Теплота, отведенная вовне, g_5-1= 107 кДж/кг (q_2-а=q_5-1). Полезная работа l₀=452 кДж/кг. Термический КПД η_t =0,809.

Сравнение циклов предлагаемого двигателя и прототипа произведено для 1 кг газа при одинаковых начальных параметрах атмосферного воздуха (точка 1), при одинаковом давлении наддува (0,3 МПа) и при одинаковой максимальной температуре в точке Z (2000^oC).

Параметры газа в крайних точках процессов цикла двигателя прототипа представлены в табл.2.

Термодинамический цикл двигателя-прототипа состоит из следующих процессов: 1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре, 2-a - изобарное охлаждение воздуха в теплообменнике-охладителе, a-c - адиабатное сжатие в цилиндре поршневой части, c-z - изохорный подвод теплоты в цилиндре, z-b - адиабатное расширение в цилиндре, b-a - изохорное падение давления в цилиндре с превращением потенциальной энергии газа в кинетическую энергию его потока, a-3 - изобарное расширение газа в трубопроводе с превращением кинетической энергии потока в потенциальную энергию перед турбиной постоянного давления, 3-4 - адиабатное расширение газа в турбине, 4-1 - изобарный отвод теплоты в окружающую среду.

Теплота, подведенная извне, q_cz= 1090 кДж/кг. Теплота, отведенная вовне, q_4-1+ a_2-a= 352 кДж/кг. Полезная работа l₀=736 кДж/кг. Термический КПД η_t = 0,677.

Температура газа, выбрасываемого в окружающую среду двигателем-прототипом, гораздо выше, чем в предлагаемом двигателе (300 >121^oC), кроме того, в двигателе-прототипе имеется отвод теплоты в окружающую среду теплообменником-охладителем. Сравнение циклов показывает, что предлагаемый комбинированный двигатель экономичнее (по термическому КПД) на
[(0,809-0,677)/0,677]•100=19,5%.

При сравнении предлагаемого комбинированного ДВС и двигателя-прототипа были рассчитаны и проанализированы термодинамические циклы (идеализированные, как это принято в термодинамике). При учете необратимых потерь энергии, т. е. при переходе к действительным циклам, КПД двигателей уменьшится, однако качественное соотношение между сравниваемыми КПД сохранится.

К недостаткам предлагаемого комбинированного ДВС с регенератором следует отнести меньшую удельную полезную работу (452 < 736 кДж/кг газа). Чтобы увеличить полезную работу, довести ее до величины работы, получаемой в прототипе, следует увеличить расход воздуха в 736/452=1,63 раза. Это приведет к увеличению (при прочих равных условиях) высоты лопаток турбины и компрессора в =1,27 раза, а линейных размеров цилиндров поршневой части в = 1,18 раза. Такое увеличение можно считать относительно незначительным, особенно для стационарных двигателей, для которых важна не так удельная масса, как экономичность.

Использование: в двигателестроении, как в стационарных, так и в передвижных установках с комбинированными ДВС, например, в дизельных электростанциях. Сущность: комбинированный ДВС состоит из поршневой части, силовой турбины на одном валу с компрессором наддувочного воздуха и регенератора. Отработанные газы из цилиндра поршневой части поступают в силовую турбину, а затем, пройдя через регенератор и охладясь, выбрасываются в окружающую среду. Атмосферный воздух, пройдя через компрессор, нагревается в регенераторе и поступает в цилиндр поршневой части. Изобретение обеспечивает существенно увеличить экономичность комбинированных двигателей внутреннего сгорания. 2 табл., 2 ил.

Комбинированный двигатель внутpеннего сгоpания с регенератором, содержащий поршневую часть, силовую турбину на одном валу с компрессором и теплообменник, причем выход отработанных газов поршневой части связан с входом силовой турбины, а компрессор соединен своим входом с атмосферой, а выходом
с первым входом теплообменника, первый выход которого соединен с входом поршневой части, а второй выход с атмосферой, отличающийся тем, что теплообменник, соединенный вторым входом с выходом силовой турбины, выполняет функцию регенератора.