КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к свободно-поршневым двигателям внутреннего сгорания, комбинированным с двигателями другого типа, в данном случае с паровой машиной, и приводным устройством - обратимой электрической машиной.

Известны комбинированные двигатели, содержащие двигатель внутреннего сгорания, имеющий неподвижный поршень с впускными, выпускными клапанами и топливной форсункой, установленной в поршне, гильзу с торцевой стенкой с возможностью осевого перемещения, образующей с поршнем рабочий объем двигателя внутреннего сгорания /см. например патент N 2046967 с приоритетом 27.09.93 г. /. К недостаткам известного двигателя относятся пониженная экономичность, двухтактный режим работы и трудности с охлаждением. В предлагаемой конструкции указанные недостатки устранены следующим образом:
1. Двигатель оснащен паровой машиной, состоящей из водяного насоса, дополнительного неподвижного поршня с форсункой и клапанами, расположенного соосно и встречно неподвижному поршню ДВС, гильзы и торцевого теплообменника, разделяющего газовые среды ДВС и паровой машины - далее сокращенно ПМ. Энергия сгорания топлива последовательно используется сначала в ДВС, затем в паровой машине. Тепловая энергия выхлопных газов ДВС утилизируется в паровой машине и превращается в полезную работу, значительно увеличивая КПД по использованию энергии топлива.

2. В предлагаемом агрегате ДВС работает в четырехтактном режиме при количестве цилиндров не менее четырех, что значительно улучшает характеристики ДВС.

3. Подвижная часть агрегата является общей активной частью для ДВС, паровой машины и электрической машины, что обеспечивает снижение массы, уменьшение габаритов и механических потерь.

Сопоставление аналогов и прототипа с данным изобретением показывает, что последнее обладает несомненной новизной и значительными достоинствами, а именно:
1. Впервые применена компановка двух встречно, соосно расположенных неподвижных поршней разного диаметра, с одной стороны - поршень ДВС, с другой стороны - поршень паровой машины. Данная компановка позволяет разделить газовые среды камеры сгорания ДВС с одной стороны и камеры паровой машины с другой стороны. При этом сохраняется возможность эффективного теплообмена между средами через теплообменник и выхлопные газы ДВС.

2. Впервые компактная подвижная часть агрегата, образованная гильзами ДВС и паровой машины, теплообменником и обмоткой возбуждения, является жесткой, не вращаемой активной частью всех трех устройств одновременно - ДВС, паровой машины, электрической машины. Данное компановочное решение позволяет значительно снизить массу и габариты агрегата в целом.

3. Паровая машина в данной компановке позволяет утилизировать тепловую энергию выхлопных газов ДВС и системы охлаждения, значительно увеличивая КПД агрегата по использованию энергии топлива.

4. Объединение ДВС, паровой машины и электрической машины в общем едином корпусе, с общими приводом и подвижной частью, обеспечивает максимальную компактность, минимальные габаритные размеры и массу агрегата в целом.

На фиг. 1 представлена схема комбинированного двигателя, являющегося предметом настоящего изобретения.

Комбинированный двигатель содержит ДВС, имеющий неподвижный поршень 1 с впускными 2 и выпускными 3 клапанами, топливную форсунку 4, в которую подается топливо от насоса 5. На поршне 1 с возможностью осевого перемещения установлена гильза 6 с торцевой стенкой 7, выполняющей функции теплообменника. Гильза 6 образует с поршнем 1 переменный рабочий объем 8 ДВС. На торцевой стенке теплообменника 7 неподвижно закреплена дополнительная гильза 11, расположенная соосно гильзе 6. Поршень паровой машины 12 расположен соосно и встречно поршню ДВС, на расстоянии от последнего. Гильза 11, поршень 12 и стенка 7 теплообменника образуют рабочий объем паровой машины - далее сокращенно ПМ. На гильзе 6 расположена кольцевая обмотка возбуждения 9 с кольцевым магнитопроводом 27, образующие якорь обратимой электрической машины. Обмотки соленоида статора обозначены позицией 10. В поршне 12 ПМ установлены впускные 14 и выпускные 15 клапаны ПМ, форсунка 16 подачи воды, работающая от водяного насоса 17. Двигатель может иметь большое число описанных секций, но кратное четырем, необходимых для обеспечения четырехтактного режима работы при запуске и прогреве ДВС, когда ПМ еще не запущен. Передача на вал 18 осуществляется с помощью коромысла 19, или иного механизма. Полость картера 24 заполняется маслом для системы смазки. Выхлопной коллектор 20 ДВС находится внутри воздушного коллектора 21, обеспечивая нагрев поступающего в ДВС воздуха. Коллектор 20 соединен с входным газовым коллектором ПМ 22 через перепускную теплоизолированную емкость - поз. 6 фиг. 2, используемую для накопления выхлопных газов ДВС при запуске и прогреве, а также для снижения давления газов при работе агрегата.

Выхлопной коллектор ПМ 23 теплоизолирован для ограничения теплообмена с выхлопными газами ДВС.

Напряжение для обмоток возбуждения подается по пружинным проводникам 25, закрепленным на изоляторах 26. Ограничители хода гильз обозначены поз. 28.

Комбинированный двигатель работает следующим образом.

ДВС работает по обычному четырехтактному циклу. Предварительно нагретый воздух поступает в объем 8 через клапаны 2, продукты сгорания удаляются через клапаны 3, предварительно нагретое топливо вспрыскивается через форсунку 4. Управление этими устройствами может быть в разном исполнении или обычное. Подвижная часть, образованная гильзами 6 и 11, обмоткой возбуждения 9, совершает возвратно-поступательные движения относительно статора 10 электрической машины и генерирует электрический ток.

Паровая машина работает следующим образом.

Выхлопной газ ДВС с высокой температурой поступает в газовый коллектор 22 ПМ и через впускной клапан 14 заполняет рабочий объем паровой машины 13. При движении подвижной части вверх, газ в рабочем объеме ПМ сжимается, температура его повышается. При впрыскивании воды через форсунку 16 на теплообменник 7, в среде высокотемпературного газа происходит взрывное парообразование и создается начальное давление рабочего хода ПМ. Паровая машина может работать в двух- или четырехтактном режимах. Соотношение диаметров поршней ДВС и ПМ выбирается в зависимости от числа тактов ПМ и необходимого начального давления газов перед сжатием. Вода, используемая для впрыска в ПМ, может использоваться по замкнутому циклу через конденсатор и систему фильтров - см. фиг. 4. Таким образом, паровая машина выполняет функции активной системы охлаждения ДВС, утилизируя тепловую энергию, выделяемую при работе ДВС, причем данная тепловая энергия в любом случае должна отводиться от ДВС, не допуская перегрева последнего. Классический принцип последовательного использования тепловой энергии топлива - сначала в ДВС, затем в ПМ - соблюдается в полной мере, т.к. ДВС является генератором тепловой энергии для ПМ. Режим работы ПМ определяется задачей стабилизации температуры ДВС и агрегата в целом на определенном рабочем уровне при максимально возможном для конструкции КПД. Термодинамика процессов может быть описана следующим образом с известной степенью вероятности.

Турбонаддув, предварительно нагретый воздух и топливо, поступающие в ДВС, повышают максимальную температуру в начале рабочего хода ДВС до 2400-2700^oC. В конце рабочего хода ДВС отработавший выхлопной газ поступает в выхлопной коллектор ДВС с температурой 500-650^oC, где в результате теплообмена с воздушным коллектором ДВС охлаждается до 400-550^oC и далее поступает в камеру паровой машины. При сжатии в камере паровой машины температура выхлопного газа увеличивается до 900-1000^oC. В конце такта сжатия ПМ происходит впрыск предварительно нагретой до 85-95^oC воды. В среде высокотемпературного газа, получая тепловую энергию от нагретого теплообменника, вода превращается в пар посредством взрывного парообразования, увеличивая давление в камере ПМ и обеспечивая рабочий ход. В конце рабочего хода ПМ температура образовавшейся парогазовой смеси будет находиться в пределах 200-250^oC. Далее парогазовая смесь охлаждается в конденсаторе, отдавая тепловую энергию воздуху, поступающему в ДВС. На выходе конденсатора температура газа снизится до пределов 80-95^oC. Далее газ поступает в турбину трубонаддува, на выходе которой температура газа снижается до 60-70^oC. Остаточная тепловая энергия, отдаваемая окружающей среде, определяется температурой выхлопного газа, т. е. температурой 60-70^oC. Таким образом, теоретически возможный КПД для данного двигателя можно определить следующим образом:

где T_макс = 2700 - 273 = 2973 K;
T_мин = 70 - 273 = 343 K.

При достаточной теплоизоляции двигателя от окружающей среды, когда потери тепловой энергии в окружающую среду не превысят 8-9%, а механический КПД будет в пределах 85-90%, практически достижимый уровень эффективного КПД комбинированного двигателя может быть в пределах 0,67-0,69. Принимая за 100% низшую теплоту сгорания топлива, приведем сравнительный тепловой баланс обычного дизеля и данного двигателя - см. табл. 1.

Очевидно, что увеличение КПД комбинированного двигателя произошло за счет утилизации тепловой энергии выхлопных газов и значительного снижения теплообмена с окружающей средой из-за отсутствия системы охлаждения ДВС в традиционном исполнении, когда тепловая энергия отдается окружающей среде посредством радиаторов или воздушных потоков.

На фиг. 2 представлена схема общей компановки комбинированного двигателя, состоящего из восьми секций 1, расположенных с двух сторон вала 8 /на фиг. 1 вал обозначен позицией 18/ двумя рядами, по четыре секции в каждом ряду, образуя двухрядный комбинированный двигатель с формулой 8 плюс 8, т.е. 8 цилиндров ДВС и 8 цилиндров ПМ. Двигатель имеет общие для всех секций корпус, картер, расположенные внутри корпуса воздушный и выхлопной коллекторы ДВС, газовый и выхлопной коллектор ПМ, общую для всех поршней ДВС систему смазки и маслянного охлаждения - см. фиг. 3.

На фиг. 2 обозначены: 1 - секции, 2 - радиатор конденсатора пара, 3 - турбина воздушного компрессора турбонаддува, 4 - вал, 5 - турбина привода компрессора, работающая на выхлопном газе ДВС, 6 - перепускная емкость, 7 - входной воздушный фильтр, 8 - вал, 9 - корпус двигателя, 10 - масло-водяной бойлер, 11 - бойлер нагрева топлива.

На фиг. 3 представлена схема системы охлаждения поршней ДВС и подогрева воды для ПМ, где отображены: 1- маслянный насос для обеспечения циркуляции масла, 2 - поршни ДВС, 3 - подводящий маслянный коллектор, 4 - отводящий маслянный коллектор, 5 - масло-водяной бойлер, 6 - картер двигателя, 7 - коллектор подачи масла в систему смазки двигателя, 8 - каналы подачи масла для смазки поршней ДВС, 9 - маслянные каналы охлаждения поршней ДВС.

На фиг. 4 приведена схема утилизации энергии выхлопных газов паровых машин, где обозначены:
1 - выхлопной коллектор ПМ, 2 - верхняя полость радиатора-конденсатора, 3 - трубки теплообменника радиатора, 4 - нижняя полость радиатора, 5 - система фильтров для очистки воды, 6 - газовая турбина привода турбонаддува, 7 - бойлер для подогрева топлива с термостатом и ограничителем температуры нагрева топлива. Атмосферный воздух, проходя между трубками 3 теплообменника, нагревается теплотой выхлопных газов ПМ и далее через фильтр 7 - фиг. 2 поступает на вход компрессора турбонаддува 3 - фиг. 2. Далее предварительно нагретый воздух поступает в воздушный коллектор 21 фиг. 1, где дополнительно нагревается посредством теплообмена с выхлопным коллектором 20 фиг. 1 ДВС.

Корпус двигателя должен иметь достаточную теплоизоляцию от окружающей среды с целью уменьшения потерь тепловой энергии. Технология исполнения теплоизоляции в данном описании не приводится.

Учитывая возможности комбинированного двигателя, применимость последнего возможна на водном, железнодорожном, автомобильном транспорте, стационарных и мобильных дизель-электрических станциях.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: изобретение относится к свободно-поршневым двигателям, содержащим двигатель внутреннего сгорания, паровую машину и обратимую электрическую машину. Двигатель состоит из четырех как минимум секций, каждая из которых содержит соосно и встречно расположенные поршни разного диаметра. Между поршнями расположена подвижная часть секции, образованная гильзой двигателя внутреннего сгорания, гильзой паровой машины, стенкой теплообменника и обмоткой возбуждения. С одной стороны стенки теплообменника расположен рабочий объем ДВС, с другой стороны - рабочий объем паровой машины. Пар в паровой машине образуется при впрыскивании воды в рабочий объем, где сжатый выхлопной газ имеет высокую температуру. Впрыскивание воды производится форсункой с расчетом попадания воды на поверхность нагретого теплообменника для обеспечения взрывного парообразования. Электрическая машина секции образована обмоткой соленоида статора и соленоидом обмотки возбуждения с сердечником и может работать как в режиме генератора электрического тока, так и в режиме статера запуска. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Комбинированный двигатель, состоящий по крайней мере из четырех секций, каждая из которых содержит двигатель внутреннего сгорания, имеющий неподвижный поршень с впускными, выпускными клапанами и форсункой, установленную на поршне с возможностью осевого перемещения гильзу с торцевой стенкой, образующей с поршнем рабочий объем двигателя внутреннего сгорания, электрическую обратимую машину с обмотками статора и обмоткой возбуждения, неподвижно закрепленной на гильзе, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания каждой секции оснащен паровой машиной, состоящей из дополнительного поршня, расположенного встречно и соосно поршню ДВС, укрепленной на торцевой стенке гильзы соосно гильзе ДВС, в поршне размещены впускной и выпускной клапаны, форсунка для впрыска воды, сообщенная с водяным насосом, а торцевая стенка выполняет функции теплообменника. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания, паровая машина и электрическая машина размещены в общем корпусе и имеют в каждой секции общую, не вращаемую активную часть, образованную жестко скрепленными между собой гильзами ДВС и паровой машины, стенкой теплообменника и обмоткой возбуждения. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выхлопной газ ДВС является рабочим телом паровой машины, как источник тепловой энергии для парообразования. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ДВС не имеет системы охлаждения, отдающей тепловую энергию в окружающую среду, а имеет теплоизоляцию от окружающей среды.