Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в четырехтактных и двухтактных, стационарных и транспортных поршневых двигателях внутреннего сгорания с наддувом, сжигающих газовое, легкое жидкое и дизельное топлива.
Известен способ использования вторичных тепловых потоков на теплоэнергетических установках судовых транспортных средств (Г. Абрамов, П. Бажан и С. Валиулин. Использование вторичных тепловых потоков/Речной транспорт, 1990, №1, с.24-35), в котором продукты сгорания главного двигателя или дизель-генератора подают последовательно в термоэлектрический генератор, паровой утилизационный котел, контактный тепломассообменный аппарат и выпускают в атмосферу. В этом аппарате не только охлаждают продукты сгорания до температуры конденсации водяных паров, но и производят абсорбцию каплями и струями воды сажи, оксидов азота, серы и углерода. В термоэлектрическом генераторе преобразуют теплоту выпускных газов в электрическую энергию, а в паровом котле получают пар, охлаждая продукты сгорания до 200°С. Воду, нагретую в контактном тепломассообменном аппарате, очищают в фильтрах, накапливают в цистерне очистной воды, а ее теплоту передают потребителю в поверхностном теплообменнике.
Недостатками этого способа являются низкий КПД термоэлектрического генератора (6-18%), большие размеры и высокая стоимость применяемых для его изготовления материалов, большая потребность в холодной воде, подаваемой в контактный тепломассообменный аппарат, и низкая температура получаемого при этом конденсата, коррозия теплопроводов и оборудования или необходимость их изготовления из дорогостоящих коррозионно-стойких материалов, отсутствие утилизации теплоты охлаждающей жидкости, наддувочного воздуха и смазочного масла, а также низкая эффективность системы при частичных нагрузках.
Известна утилизационная установка двигателя внутреннего сгорания (авторское свидетельство СССР №1375841, кл. F 01 K 23/14, от 28.05.1985 г.), которая содержит контуры - пароводяной и парожидкостный теплоносителя, кипящего при низкой температуре. Соединяются эти два контура через поверхностный теплообменник, который для пароводяного контура является конденсатором, а парожидкостного - парогенератором. Пароводяной контур включает последовательно расположенные утилизационный котел, сообщенный с выпускным трактом двигателя, паровую турбину, поверхностный теплообменник (конденсатор) и насос. Парожидкостный контур содержит последовательно установленные поверхностный теплообменник (парогенератор), турбину, конденсатор, циркуляционный насос и нагреватель, в котором тепло передается от охлаждающей жидкости и масла теплоносителю в этом контуре.
Недостатками этой установки являются потребность в холодильнике для охлаждения теплоносителя в парожидкостном контуре, низкий КПД одной турбины при высоком КПД другой и, наоборот, снижение надежности турбины при работе двигателя на частичных нагрузках из-за образования насыщенного пара в обоих контурах, отсутствие приемлемого теплоносителя, который, имея низкую температуру кипения, обладал стабильными физико-химическими свойствами при высокой температуре и потере теплоты с уходящими продуктами сгорания после котла-утилизатора.
Наиболее близким к заявленному способу работы и устройству поршневого двигателя с комплексной системой глубокой утилизации теплоты и снижения вредных выбросов в атмосферу по технической сущности и достигаемому результату являются способ и устройство для повышения эффективности использования тепловой энергии выхлопных газов больших дизельных двигателей (патент Финляндии №89969, кл. F 01 N 5/02, от 21.12.89 г.), выбранный в качестве прототипа.
Способ работы осуществляют следующим образом. Продукты сгорания из выпускного коллектора подают в перепускной клапан, откуда при нагрузке двигателя 85% и более направляют для охлаждения в первый котел, а затем в турбину и во второй котел. При нагрузке двигателя менее 85% часть выхлопных газов может направляться с помощью перепускного клапана и байпасного газопровода мимо первого котла в газовую турбину, а из него - во второй котел. В этом котле питательная вода подогревается и подается в парогенератор, а из него - в первый котел, где образуется пароводяная смесь, которая возвращается в парогенератор. При этом пар поступает потребителю из парогенератора.
Устройство для реализации этого способа содержит расположенные последовательно вдоль выпускной системы перепускной клапан, первый котел, соединенный подводящим водопроводом и отводящим паропроводом с парогенератором, турбину, связанную механической связью с компрессором, и второй котел, соединенный с парогенератором подводящим водопроводом. Турбина и первый котел имеют байпасные газопроводы. Байпасный газопровод первого котла соединен с перепускным клапаном.
Основными недостатками этого прототипа являются: снижение мощности, топливной экономичности и надежности на номинальном режиме работы двигателей со среднеэффективным давлением, превышающим 1,8-2,0 МПа, и газовой связью с турбиной из-за снижения коэффициента избытка воздуха в цилиндрах, коррозия при низких температурах продуктов сгорания не только газопроводов и тепловоспринимающих стенок второго котла, но и проточной части турбины в результате образования конденсата паров кислот на их поверхностях, потребность в чистой питательной воде, а также отсутствие утилизации теплоты теплоносителя системы охлаждения двигателя, наддувочного воздуха и масла.
Технический результат - увеличение мощности, улучшение топливной экономичности и снижение токсичности продуктов сгорания двигателя, утилизация отбросной теплоты и получение при этом работы, полезной теплоты и холода, повышение надежности и снижение шума двигателя, уменьшение размеров парогенератора и тепломассообменных аппаратов.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способу достигается тем, что в поршневом двигателе с комплексной системой глубокой утилизации теплоты и снижения вредных выбросов в атмосферу, включающем охлаждение продуктов сгорания за выпускным коллектором в первом котле, их срабатывание в газовой турбине, приводящей компрессор, последующее охлаждение во втором котле, подвод питательной воды в последний котел, а затем подогретой во втором котле в первый и подачу пара потребителю, особенность заключается в том, что продукты сгорания охлаждают в парогенераторе, совмещенном с выпускным коллектором, срабатывают в расширительной машине и подают в газовый нагнетатель, приводимый двухступенчатой двухпоточной турбиной, повышают их давление в этом нагнетателе и подводят в контактно-поверхностный конденсатор, в котором они охлаждаются и из них конденсируют воду, далее газы срабатывают в первой ступени двухступенчатой двухпоточной турбины, смешиваются с паром, срабатываемым во второй ступени, и проходят во влагоотделитель, где из образовавшейся смеси отделяют влагу, а сухие газы подают в поверхностный теплообменник, в котором они охлаждают циркулирующий теплоноситель через холодную часть аккумулятора воды и потом выбрасывают их через газовую турбину в атмосферу, при этом холодный конденсат из влагоотделителя подают в распылители контактно-поверхностного конденсатора, а из этого конденсатора конденсат направляют в горячую часть аккумулятора воды и повышают его показатель рН более 7 добавлением в него аммиака, увеличивают давление наддувочного воздуха компрессором, увлажняют и охлаждают этот воздух распыливанием горячей воды в контактно-поверхностном воздухоохладителе и сливают из него конденсат в горячую часть аккумулятора воды, подают горячую воду из аккумулятора питательным насосом в парогенератор, а полученный в нем пар направляют в аккумулятор, а из него его подают во вторую ступень двухступенчатой двухпоточной турбины, которая приводит газовый нагнетатель и электрогенератор через механическую связь и гидродинамическую передачу соответственно, причем циркулирующий теплоноситель, нагретый теплопередающими стенками контактно-поверхностного конденсатора, подают насосом в приборы потребителя теплоты, где его охлаждают, а затем подводят в контактно-поверхностный воздухоохладитель для охлаждения воздуха через разделяющие стенки теплоносителей, если его температура оказывается ниже температуры наддувочного воздуха, в противном случае этот теплоноситель опять возвращают по байпасному теплопроводу в контактно-поверхностный конденсатор, где теплоноситель системы охлаждения двигателя циркулируют через горячую часть аккумулятора воды по подающему и обратному водопроводам под действием насоса, при этом температуру этого теплоносителя на выходе из двигателя регулируют в допустимых пределах подачей воды из холодной части аккумулятора в подающий водопровод, при этом масло системы смазки циркулируют насосом через поверхностный теплообменник в холодной части аккумулятора воды, если его температура не превышает температуру горячей воды аккумулятора более чем на 10°С, в противном случае его циркулируют через поверхностный теплообменник, расположенный в горячей части этого аккумулятора, при этом регулируют температуру масла на выходе из двигателя в допустимых пределах изменением количества проходящего масла по байпасному трубопроводу через регулятор температуры масла, причем для охлаждения теплоносителя в холодной части аккумулятора воды его циркулируют по подводящему и отводящему теплопроводам через поверхностный теплообменник в выпускной системе за турбодетандером под действием насоса, а легкое жидкое или газовое топливо подогревают паром в аккумуляторе топлива передачей теплоты через стенки поверхностного теплообменника, подают это топливо и горячую воду из аккумуляторов по топливопроводам и водопроводам через электромеханические запорные устройства в распылители во впускных патрубках после закрытия выпускных органов, при этом регулируют температуру легкого жидкого топлива ниже температуры образования паровых пробок в топливной системе, максимальную температуру сгорания в допустимых пределах изменением количества распыливаемой воды в этих патрубках, максимальное давление сгорания в допустимых пределах изменением угла опережения зажигания, а также коэффициент избытка воздуха в цилиндрах, равный 1,02-1,05, изменением мощности двухступенчатой двухпоточной турбины, влияющий на работу газового нагнетателя, а, следовательно, и расширительной машины, приводящей компрессор. Кроме того, температуру газов за контактно-поверхностным конденсатором регулируют ниже температуры точки росы изменением регулятором количества подаваемой холодной воды из влагоотделителя в распылители этого конденсатора, причем при сжигании легкого жидкого или газового топлив конвертируют оксид углерода в диоксид на поверхности катализатора из оксидов трехвалентного железа и хрома в реакторе, совмещенном с выпускным теплоизолированным или металлокерамическим коллектором, при этом регулируют содержание оксида углерода в продуктах сгорания за контактно-поверхностным конденсатором в допустимых пределах изменением регулятором количества распыливаемой горячей воды в контактно-поверхностном воздухоохладителе, где для снижения содержания оксидов азота в продуктах сгорания воздух из напорного воздухопровода за контактно-поверхностным воздухоохладителем направляют по воздухопроводу во всасывающий газопровод газового нагнетателя, при этом конвертируют оксид азота в диоксид кислородом воздуха при температуре ниже 140°С в выпускном газовом тракте, абсорбируют эти оксиды каплями и струями воды в контактно-поверхностном конденсаторе, регулируют содержание оксида азота в уходящих продуктах сгорания изменением регулятором количества воздуха, пропускаемого по этому воздухопроводу, а для снижения содержания оксидов серы в продуктах сгорания при сжигании сернистого топлива газы из контактно-поверхностного конденсатора направляют по газопроводу во всасывающий газопровод газового нагнетателя, при этом конвертируют сернистый ангидрид в серный диоксидом азота при температуре ниже 450°С в выпускном газовом тракте, абсорбируют оксиды серы каплями и струями воды в этом конденсаторе, регулируют содержание диоксида серы в уходящих продуктах сгорания изменением регулятором количества газов, пропускаемых по этому газопроводу, причем для повышения температуры газов перед реактором или парогенератором, совмещенными с выпускным коллектором при работе на частичных нагрузках, эффективную мощность двигателя повышают при эксплуатации от нуля и выше включением подачи топлива первого цилиндра и плавным ее увеличением до максимального значения, затем последовательным раздельным включением подач топлива всех остальных цилиндров и аналогичным их повышением уменьшают эту мощность в обратной последовательности выключением подач топлива цилиндров и их плавным уменьшением до нуля по сигналам с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя, при этом сообщают между собой неработающие цилиндры через газовый коллектор открытием электромеханических клапанов в цилиндрах тоже по сигналам с этого микропроцессора, при этом для сохранения постоянной частоты колебаний электрического тока электрогенератора регулируют частоту вращения его ротора изменением передаточного отношения гидродинамической передачи с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя. Продукты сгорания после парогенератора, совмещенного с выпускным коллектором, подают в газовый нагнетатель, который повышает давление газов и подает их в контактный конденсатор, где они охлаждаются и из них конденсируется вода, затем срабатывают эти газы в детандере и снова охлаждаются, отделяют от них воду во влагоотделителе, охлаждают ими холодный теплоноситель в поверхностном теплообменнике и выбрасывают их в атмосферу, при этом подают воздух компрессором, приводимым двигателем через механическую передачу, в контактный воздухоохладитель, где его охлаждают, а затем направляют во впускной коллектор, подводят пар из парогенератора в аккумулятор, а из него в расширительную машину, передающую свою мощность этому нагнетателю через механическую связь, а двигателю 1 - через гидродинамическую связь, отводят этот пар из этой расширительной машины по паропроводу в газовый нагнетатель, где он, смешиваясь с продуктами сгорания, поступает в контактный конденсатор, направляют холодную воду из влагоотделителя в распыливающие устройства контактных конденсатора и воздухоохладителя по водопроводам под действием насоса, подают горячую воду из этих аппаратов в горячую часть аккумулятора воды по водопроводу под напором насоса и питают парогенератор подачей в него воды насосом из горячей части аккумулятора воды, причем регулируют температуру газов за турбодетандером выше 0°С изменением регулятором количества распыливаемой холодной воды в контактном конденсаторе, показатель рН конденсата, сливаемого из контактного конденсатора, больше 7 изменением количества добавляемого аммиака в этот конденсат, температуру воздуха, поступающего в двигатель, или максимальную температуру сгорания в допустимых пределах изменением регулятором количества распыливаемой холодной воды в этом воздухоохладителе, а также давление пара в аккумуляторе изменением регулятором количества подаваемого пара из аккумулятора в расширительную машину, а для обеспечения потребителя холодом циркулируют теплоноситель через поверхностный теплообменник в выпускной системе за детандером, холодную часть аккумулятора воды и через приборы потребления холода по подающим и обратным теплопроводам под действием насоса, при этом регулируют температуру воздуха или другой среды у этого потребителя в допустимых пределах изменением регулятором количества проходящего теплоносителя по байпасному теплопроводу мимо этих приборов. Кроме того, теплоту из горячей части аккумулятора воды передают потребителю теплоты благодаря циркуляции теплоносителя насосом по теплопроводам через приборы потребителя теплоты и горячую часть аккумулятора воды, при этом регулируют температуру воздуха или другой среды у потребителя в допустимых пределах изменением регулятором количества проходящего теплоносителя по байпасному теплопроводу мимо этих приборов, при этом для подачи эмульсии в камеры сгорания жидкое топливо и горячую воду подают насосами по топливопроводу и водопроводу через фильтры из топливного бака и горячей части аккумулятора воды соответственно в смеситель, где их смешивают и образуют эмульсию, которую подают насосом по топливопроводу через фильтр в аккумулятор топлива, где ее подогревают горячей водой, циркулирующей через поверхностный теплообменник в этом аккумуляторе и горячую часть аккумулятора воды, подогретое топливо подводят в распылители по подающему и распределительным топливопроводам через электромеханические запорные устройства и впрыскивают в камеры сгорания, при этом регулируют давление впрыска в допустимых пределах изменением регулятором количества подаваемого топлива в аккумулятор, температуру топлива ниже температуры образования паровых пробок в топливной системе изменением регулятором количества проходящей горячей воды через этот поверхностный теплообменник, количество впрыскиваемого топлива изменением продолжительности открытия этих запорных устройств с микропроцессора управления подачами топлива и воды, а также максимальную температуру сгорания изменением регулятором состава эмульсии по сигналу с этого микропроцессора. При пуске двигателя его вращают расширительной машиной через гидродинамическую связь до начала работы двигателя, для этого подают пар в эту машину из аккумулятора пара по сигналу с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя, который срабатывает и приводит в движение расширительную машину, а вместе с ней и двигатель, при этом давление газов в контактном конденсаторе устанавливают по требуемой температуре конденсации водяных паров в этом аппарате, или требуемой температуре продуктов сгорания за детандером, или требуемому содержанию в продуктах сгорания токсичных газов путем определения проходного сечения детандера и его размеров, при этом для повышения температуры газов перед парогенератором в двигателях с объемной формой смесеобразования сжигают дизельное топливо при снижении коэффициента избытка воздуха в цилиндрах до 1,1-1,2 в высокооборотных дизелях до 1,2-1,3 в среднеоборотных дизелях, и до 1,3-1,4 в малооборотных дизелях, при этом уменьшают содержание сажи в продуктах сгорания повышением давления впрыска до (1000-1500)·105 Па в высокооборотных дизелях, до (1500-2000)·105 Па в среднеоборотных дизелях и до (2000-2500)·105 Па в малооборотных дизелях, для этого уменьшают диаметр сопловых отверстий, не изменяя их количества, сохраняют продолжительность впрыска или уменьшают ее не более чем на 3° п.к.в., при этом регулируют коэффициент избытка воздуха изменением регулятором рециркуляции продуктов сгорания по трубопроводу из газопровода за нагнетателем в воздухопровод перед компрессором, максимальную температуру сгорания в допустимых пределах изменением регулятором увлажнения и охлаждения наддувочного воздуха в воздухоохладителе. Конденсат из влагоотделителя подают паронасосом, или пневмонасосом, или газонасосом по трубопроводам в распылители контактных воздухоохладителя и конденсатора, при этом приводят этот насос паром, поступающим из аккумулятора, или воздухом, подаваемым из компрессора, или газами, направляемыми из парогенератора или нагнетателя газов, регулируют давление нагнетания этого насоса изменением реулятором количества подаваемого в него рабочего тела, подают горячую воду из аккумулятора в парогенератор питательным паронасосом, или пневмонасосом, или газонасосом, который приводят паром, поступающим из аккумулятора, или воздухом, подаваемым из компрессора, или газами, направляемыми из парогенератора или нагнетателя газов, регулируют давление нагнетания этого насоса изменением регулятором количества подаваемого в него рабочего тела, сливают конденсат из этих воздухоохладителя и конденсатора по водопроводам в горячую часть аккумулятора воды под давлением воздуха и газов в этих аппаратах, при этом газы выходят из этой части аккумулятора в атмосферу по газопроводу через регулятор давления газов или в выпускной газопровод или в впускной воздухопровод по трубопроводу, причем для более полной конверсии оксида углерода в диоксид, а также уменьшения размеров парогенератора и контактного конденсатора продукты сгорания из выпускного коллектора направляют последовательно в газовый нагнетатель, реактор с катализатором, парогенератор, контактный конденсатор, детандер, при этом нагнетатель приводят расширительной машиной, куда пар подают из аккумулятора, а его количество регулируют по требуемому отношению давления наддувочного воздуха к противодавлению выпускных газов (Рк/Рr) или давлению нагнетания газов, приводят компрессор детандером, подают пар из аккумулятора в камеры сгорания по паропроводам через электромеханические запорные устройства, регулируют коэффициент избытка воздуха в допустимых пределах рециркуляцией продуктов сгорания по газопроводу из нагнетательного газопровода во впускной напорный воздухопровод, конвертируют оксид углерода в диоксид в реакторе с катализатором при высоких температурах не менее 350°С и наличии паров воды в продуктах сгорания, регулируют содержание оксида углерода в уходящих газах в допустимых пределах изменением регулятором количества подаваемого пара в камеры сгорания.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройству достигается тем, что в известном устройстве поршневого двигателя внутреннего сгорания с комплексной системой глубокой утилизации теплоты и снижения вредных выбросов в атмосферу, включающем поршневой двигатель, первый котел, турбину, соединенную механической связью с компрессором, и второй котел, особенность заключается в том, что снабжено расположенными последовательно вдоль выпускной системы по ходу движения газов парогенератором, совмещенным с выпускным коллектором, расширительной машиной, соединенной механической связью с компрессором, газовым нагнетателем, соединенным механической связью с двухступенчатой двухпоточной турбиной, контактно-поверхностным конденсатором, двухступенчатой двухпоточной турбиной, соединенной первой ступенью с этим конденсатором газопроводом, гидродинамической передачей с электрогенератором и механической связью с газовым нагнетателем, влагоотделителем и поверхностным теплообменником, при этом поддон влагоотделителя соединен с распылителями контактно-поверхностного конденсатора водопроводом, на котором установлен подающий насос, поддон этого конденсатора соединен с горячей частью аккумулятора воды сливным водопроводом, к которому подключен баллон с аммиаком посредством газопровода, содержащего регулятор рН сливаемой воды, компрессор соединен нагнетательным воздухопроводом с контактно-поверхностным воздухоохладителем, распылители которого подключены к горячей части аккумулятора воды водопроводом, содержащим фильтр и насос, кроме этого эта часть аккумулятора воды соединена посредством этого водопровода с парогенератором, а он подключен к аккумулятору пара, от которого проложен паропровод ко второй ступени двухступенчатой двухпоточной турбины, на котором установлен регулятор коэффициента избытка воздуха, при этом водяные тракты контактно-поверхностных конденсатора и воздухоохладителя, а также приборов потребителя теплоты объединены подводящими и отводящими водопроводами в циркуляционный контур, оснащенный насосом, при этом эти водопроводы контактно-поверхностного воздухоохладителя соединены байпасным водопроводом, на котором установлен регулятор температуры теплоносителя, поступающего потребителю, причем система охлаждения двигателя соединена подающим и обратным водопроводами с горячей частью аккумулятора воды, причем подающий водопровод имеет циркуляционный насос и подключен к холодной части этого аккумулятора водопроводом, на котором установлен регулятор температуры воды на выходе из двигателя. Кроме того, система смазки оснащена поверхностным теплообменником, установленным в холодной или горячей части аккумулятора воды в зависимости от разницы температур масла и горячей воды в аккумуляторе и соединена с ним подающим и обратным маслопроводами, при этом эти маслопроводы соединены байпасным маслопроводом, на котором расположен регулятор температуры масла на выходе из двигателя, а подающий маслопровод содержит циркуляционный насос, где поверхностный теплообменник в выпускной системе за детандером соединен с холодной частью аккумулятора воды подводящим и отводящим водопроводами, при этом на подводящем водопроводе установлен циркуляционный насос, при этом топливная система оснащена аккумулятором топлива, содержащим поверхностный теплообменник, соединенный с аккумулятором пара подводящим, а с горячей частью аккумулятора воды отводящим паропроводами, при этом на подводящем паропроводе установлен регулятор температуры топлива в этом аккумуляторе, распылители топлива и воды во впускном коллекторе соединены с аккумулятором топлива и горячей частью аккумулятора воды топливопроводами и водопроводами соответственно, на которых установлены электромеханические запорные устройства, связанные электросвязями с микропроцессором управления подачами топлива и воды, который соединен еще с датчиками угла поворота коленчатого вала, максимальных температуры и давления сгорания и микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя, причем на водопроводе, подводящем воду из влагоотделителя в распылители контактно-поверхностного конденсатора, установлен регулятор уровня воды во влагоотделителе. Кроме того, для конверсии оксида углерода в диоксид при сжигании легкого жидкого и газового топлив реактор с катализатором из оксидов трехвалентного железа и хрома совмещен с теплоизолированным или металлокерамическим выпускным коллектором, а на водопроводе, подводящем горячую воду из аккумулятора в распылители контактно-поверхностного воздухоохладителя, установлен регулятор содержания оксида углерода в продуктах сгорания за контактно-поверхностным конденсатором, где для конверсии оксида азота в диоксид при температуре ниже 140°С и его абсорбции каплями и струями воды воздухопровод за контактно-поверхностным воздухоохладителем соединен с впускным газопроводом газового нагнетателя воздухопроводом, на котором установлен регулятор содержания оксида азота в продуктах сгорания за контактно-поверхностным конденсатором, а для конверсии сернистого ангидрида в серный диоксидом азота при температуре ниже 450°С и его абсорбции каплями и струями воды при сжигании сернистого топлива контактно-поверхностный конденсатор соединен с впускным газопроводом газового нагнетателя газопроводом, на котором установлен регулятор содержания сернистого ангидрида в продуктах сгорания за контактно-поверхностным конденсатором. Кроме того, для повышения температуры газов перед реактором или парогенератором, совмещенным с выпускным коллектором, на частичных нагрузках раздельной работой цилиндров установлены в головке (крышках) цилиндров электромеханические клапаны, объединенные общим газовым коллектором и соединенные электросвязями с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя, при этом электромеханические запорные устройства на распределительных топливопроводах и водопроводах соединены электросвязями с микропроцессором управления подачами топлива и воды, причем для сохранения постоянной частоты колебаний электрического тока электрогенератора гидродинамическая передача между этим электрогенератором и двухступенчатой двухпоточной турбиной соединена электросвязью с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя. Дополнительно устройство оснащено расположенными последовательно вдоль выпускного тракта за парогенератором газовым нагнетателем, соединенным механической связью с расширительной машиной, контактным конденсатором, детандером, соединенным механической связью с электрогенератором, влагоотделителем и поверхностным теплообменником, при этом компрессор соединен механической передачей с двигателем, всасывающим воздухопроводом с воздушным фильтром, а нагнетательным - с контактным воздухоохладителем, аккумулятор пара подключен подводящим к нему пар трубопроводом к парогенератору, а отводящим паропроводом - к расширительной машине, соединенной механической связью с газовым нагнетателем, а гидродинамической связью с двигателем, поддон влагоотделителя соединен с распылителями контактных конденсатора и воздухоохладителя водопроводами с подающим насосом, поддоны этих тепломассообменных аппаратов подключены к горячей части аккумулятора воды водопроводами с подающим насосом, а эта часть аккумулятора воды соединена с парогенератором посредством водопровода, на котором установлены питательный насос, фильтр и регулятор температуры пара в аккумуляторе, и оснащено баллоном с аммиаком, соединенным с водопроводом слива конденсата из контактного конденсатора в горячую часть аккумулятора воды посредством газопровода, на котором установлен регулятор показателя рН этого конденсата, регулятором температуры газов за детандером, расположенным на водопроводе подвода холодной воды из влагоотделителя в распылители этого конденсатора, регулятором температуры воздуха, поступающего в двигатель, или максимальной температуры сгорания, установленным на водопроводе, подводящем холодную воду из влагоотделителя в распылители контактного воздухоохладителя, а также регулятором давления пара в аккумуляторе, установленным на паропроводе, подводящем пар из аккумулятора в расширительную машину, также оснащено поверхностным теплообменником, расположенным за детандером и соединенным подающими и обратными теплопроводами с приборами потребителя холода и холодной частью аккумулятора воды, при этом на одном из подающих теплопроводов расположен циркуляционный насос, а подающий и обратный теплопроводы этого потребителя соединены байпасным теплопроводом, на котором установлен регулятор температуры воздуха или другой среды у потребителя, приборы потребителя теплоты и горячая часть аккумулятора воды соединены подводящими и отводящим теплопроводами и образуют циркуляционный контур с насосом, при этом эти теплопроводы соединены байпасным теплопроводом, на котором установлен регулятор температуры воздуха или другой среды у потребителя, причем смеситель жидкого топлива и воды подключен к топливному баку и к горячей части аккумулятора воды подающими топливопроводом и водопроводом, на которых установлены фильтры, подающие насосы и регулятор состава смеси, а также соединен с аккумулятором топлива водопроводом, на котором расположены подающий насос, фильтр и регулятор давления топлива в этом аккумуляторе, при этом к этому аккумулятору топлива подключены распылители топлива посредством подающего и распределительных топливопроводов, а на последних установлены электромеханические запорные устройства, связанные электросвязями с микропроцессором управления подачами топлива и воды, кроме того, для работы на природном газе аккумулятор топлива подключают к распределительному газопроводу через газорегуляторное устройство, а для работы на сжиженном газе его подсоединяют к газовому баллону газопроводом, на котором установлен регулятор давления газа в этом аккумуляторе, при этом аккумулятор топлива соединен с распылителями во впускных патрубках подающим и распределительным газопроводами, на которых установлены электромеханические запорные устройства, соединенные электросвязями с микропроцессором управления подачами топлива и воды, где аккумулятор топлива оснащен поверхностным теплообменником для подогрева топлива, который подключен подающим и обратным водопроводами к горячей части аккумулятора воды, при этом на подающем водопроводе установлены насос, фильтр и регулятор температуры топлива в этом аккумулятор, при этом для сжигания эмульсии или газового топлива в камерах сгорания, а также регулирования максимальных давления и температуры сгорания электромеханические запорные устройства на распределительных топливопроводах и газопроводах соединены электросвязями с микропроцессором управления подачами топлива и воды, при этом к этому микропроцессору подсоединены еще электросвязями регулятор состава эмульсии, датчики угла поворота коленчатого вала, максимальных температуры и давления сгорания, а также микропроцессор управления пуском, работой и остановкой двигателя, причем для регулирования коэффициента избытка воздуха в допустимых пределах подающий газопровод газового нагнетателя соединен со всасывающим воздухопроводом, на котором установлен регулятор коэффициента избытка воздуха, при этом для регулирования максимальной температуры сгорания на водопроводе, подающем воду в распылители контактного воздухоохладителя, установлен регулятор максимальной температуры сгорания или температуры наддувочного воздуха после воздухоохладителя, где для питания паром расширительной машины и регулирования давления пара в аккумуляторе пара этот аккумулятор соединен с расширительной машиной паропроводом, на котором установлен регулятор этого давления, при этом для пуска двигателя расширительная машина соединена с ним гидромеханической связью, с аккумулятором пара и напорным газопроводом нагнетателя паропроводом и газопроводом соответственно, на которых установлены электромеханические запорные устройства, связанные электросвязями с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя Кроме того, влагоотделитель соединен с распылителями контактного конденсатора и воздухоохладителя подающим водопроводом, на котором установлен паронасос, или пневмонасос, или газонасос, соединенный трубопроводом с аккумулятором пара, или компрессором, или нагнетателем газов (парогенератором) и оснащенный регулятором давления нагнетания, парогенератор соединен с горячей частью аккумулятора воды водопроводом, на котором расположен паронасос, или пневмонасос, или газонасос, соединенный трубопроводом с аккумулятором пара, или компрессором, или нагнетателем газов (парогенератором) и оснащенный регулятором давления нагнетания, поддоны этих конденсатора и воздухоохладителя подключены к горячей части аккумулятора воды водопроводами, на которых установлены обратные клапаны, а газовое пространство в этой части аккумулятора соединено трубопроводом с газопроводом или воздухопроводом за этими конденсатором или воздухоохладителем, где давление ниже, чем в этих тепломассообменных аппаратах, не менее чем на величину гидростатического давления воды в этой части аккумулятора, причем газовое пространство горячей части аккумулятора воды сообщено с атмосферой трубопроводом, на котором установлен регулятор давления газов в этой части аккумулятора, поддерживающий давление ниже, чем в этих конденсаторе и воздухоохладителе, не менее чем на величину гидростатического давления воды в этой части аккумулятора. Кроме того, для повышения температуры газов перед парогенератором и более полной конверсии оксида углерода в диоксид в реакторе при высоких температурах и сжигании легкого жидкого и газового топлив, а также снижения массы и размеров парогенератора двигатель оснащен расположенными последовательно вдоль выпускного тракта за выпускным коллектором газовым нагнетателем, реактором с катализатором из оксидов трехвалентного железа и хрома, парогенератором, при этом нагнетатель соединен механической связью с расширительной машиной, подключенной к аккумулятору пара паропроводом, на котором установлен регулятор отношения давления наддува к противодавлению выпускных газов или давления нагнетания газов, компрессор соединен механической связью с детандером, нагнетательный выпускной газопровод связан с напорным впускным воздухопроводом газопроводом, на котором установлен регулятор коэффициента избытка воздуха.
В настоящее время выпускается очень много конструкций поршневых двигателей внутреннего сгорания, отличающихся назначением, размерами и расположением цилиндров, способом смесеобразования, системами наддува, охлаждения и смазки и так далее. Для этих двигателей разработана единая комплексная система глубокой утилизации теплоты и снижения вредных выбросов в атмосферу, которая может быть реализована на каждом из них в соответствии с вариантами данного изобретения. Наиболее приемлема и предпочтительна разработанная комплексная система для стационарных и судовых двигателей с наддувом и электронными системами впрыска и регулирования двигателя. Ниже описываются устройство и работа этой системы с различными схемами наддува, подачами горячей воды или пара в камеры сгорания, пара в расширительную машину, содержащую циркуляционные контуры горячей и холодной воды, аккумулятор горячей воды и холодного теплоносителя, аккумуляторы пара и топлива и различные тепломассообменные аппараты.
На фиг.1-4 показаны схемы реализации вариантов комплексной системы глубокой утилизации теплоты и снижения вредных выбросов в атмосферу с поршневым двигателем. На фиг.1 изображена схема, в которой воздушный компрессор приводится расширительной машиной, соединенной механической связью с этим компрессором, а газовой связью с двигателем. Мощность этой машины увеличивают благодаря созданию за ней разрежения газовым нагнетателем, который приводится двухступенчатой двухпоточной расширительной машиной. Избыток мощности эта машина передает электрогенератору, с которым она связана гидродинамической передачей. Газовый нагнетатель, установленный перед конденсатором, повышает перед ним давление. На этой схеме применены контактно-поверхностные тепломассообменные аппараты, осуществлены впрыски топлива и горячей воды во впускные патрубки под управлением микропроцессора. Схема на фиг.2 отличается от схемы на фиг.1 тем, что воздушный компрессор приводится двигателем через механическую передачу. Паровая расширительная машина соединена механической связью с газовым нагнетателем, а гидродинамической связью с двигателем. Кинетическая и тепловая энергия уходящих газов утилизируется в расширительной машине, установленной за конденсатором и связанной с электрогенератором механической связью. На этой схеме осуществлены впрыски эмульсии в камеры сгорания, а газового топлива во впускные патрубки цилиндров. Здесь применены контактные тепломассообменные аппараты, а потребители снабжены теплотой, холодом и электроэнергией. На схеме фиг.3 реализуются варианты привода насосов паровым, или воздушным, или газовым приводом, а также способ подачи конденсата из поддонов воздухоохладителя и конденсатора в аккумулятор воды без насоса под действием разности давления газов в этих аппаратах. На фиг.4 парогенератор установлен за нагнетателем и реактором, содержащим катализатор. Нагнетатель приводится паровой расширительной машиной, соединенной паропроводом с аккумулятором пара. На этой схеме реализовано регулирование коэффициента избытка воздуха рециркуляцией продуктов сгорания и отношения давления наддува к противодавлению выпускных газов (Рк/Рr).
Устройство поршневого двигателя внутреннего сгорания с комплексной системой глубокой утилизациии теплоты и снижения вредных выбросов в атмосферу содержит поршневой двигатель 1 (фиг.1), расположенные за ним последовательно вдоль выпускного тракта парогенератор 2, совмещенный с выпускным коллектором, или реактор с катализатором из оксидов трехвалентного железа и хрома, совмещенный с теплоизолированным или металлокерамическим выпускным коллектором, при наличии за ним парогенератора, расширительную машину 3, соединенную механической связью с компрессором 4, газовый нагнетатель 5, соединенный механической связью с двухступенчатой двухпоточной турбиной 6, контактно-поверхностный конденсатор 7, двухступенчатую двухпоточную турбину 6, соединенную первой ступенью с этим конденсатором, гидродинамической передачей 8 с электрогенератором 9, а механической связью с газовым нагнетателем 5, влагоотделитель 10, поверхностный теплообменник 11 и выпускную трубу 12, соединенные с двигателем и между собой газопроводами 13, 14, 15, 16, 17, 18 и 19. Компрессор 4 подключен к впускному коллектору 20 воздухопроводами 21 и 22 через контактно-поверхностный воздухоохладитель 23, распылители которого подключены к горячей части аккумулятора воды 24 подводящими водопроводами 25 и 26 через фильтр 27 и питательный насос 28. На водопроводе 25 установлен регулятор содержания оксида углерода в продуктах сгорания 29 за контактно-поверхностным конденсатором 7. Горячая часть аккумулятора воды 24 соединена водопроводом 26 через эти фильтр и питательный насос с парогенератором 2, а он подсоединен паропроводом 30 к аккумулятору пара 31, от которого проложен паропровод 32 ко второй ступени двухступенчатой двухпоточной турбины 6. На этом паропроводе установлен регулятор коэффициента избытка воздуха 33. На водопроводе 26 расположен регулятор температуры пара 34 в аккумуляторе пара 31. Поддон влагоотделителя 10 соединен с распылителями контактно-поверхностного конденсатора 7 водопроводом 35, на котором установлен подающий насос 36 и регулятор уровня воды 37 во влагоотделителе 10. Поддон этого конденсатора соединен с горячей частью аккумулятора воды 24 сливным водопроводом 38, к которому подключен баллон с аммиаком 39 посредством газопровода 41 через регулятор рН 40 сливаемой воды. Водяные тракты контактно-поверхностных конденсатора 7 и воздухоохладителя 23, а также приборов потребителя теплоты 42 объединены подводящими и отводящими водопроводами 43, 44 и 45 в циркуляционный контур, оснащенный насосом 46. Водопроводы 44 и 45 контактно-поверхностного воздухоохладителя соединены байпасным водопроводом 47, на котором установлен регулятор температуры теплоносителя 48, поступающего потребителю теплоты 42. Сливной водопровод 49 этого воздухоохладителя подключен к горячей части аккумулятора 24. Система охлаждения двигателя соединена подающим и обратным водопроводами 50 и 51 с горячей частью аккумулятора воды 24. Подающий водопровод 50 оснащен циркуляционным насосом 52 и подключен к холодной части этого аккумулятора водопроводом 53, на котором установлен регулятор температуры воды 54 на выходе из двигателя. Система смазки двигателя оснащена поверхностным теплообменником 55, установленным в холодной или горячей части аккумулятора воды 56 или 24, в зависимости от разницы температур масла и горячей воды в аккумуляторе, и соединена с ним подающим и обратным маслопроводами 57 и 58. Эти маслопроводы соединены байпасным маслопроводом 59, на котором расположен регулятор температуры масла 60, на выходе из двигателя, а система смазки содержит циркуляционный насос 61. Для охлаждения воды в холодной части аккумулятора поверхностный теплообменник 11 в выпускной системе после влагоотделителя 10 соединен с холодной частью аккумулятора воды 56 подводящим и отводящим водопроводами 62 и 63, при этом на подводящем водопроводе установлен циркуляционный насос 64. Для подачи топлива вместе с воздухом и горячей водой в камеры сгорания через впускные патрубки топливная система оснащена аккумулятором топлива 65, который подключен к магистральному топливопроводу через фильтр 66 и подающий насос 67 для жидкого топлива топливопроводом 68, на котором расположен регулятор давления топлива 69 в этом аккумуляторе. Она также содержит поверхностный теплообменник 70 в этом аккумуляторе, соединенный с аккумулятором пара 31 подводящим паропроводом 71, на котором расположен регулятор температуры топлива 72 в аккумуляторе топлива 65. Для отвода конденсата или пара из этого теплообменника он соединен трубопроводом 73 с горячей частью аккумулятора воды 24. Распылители топлива и горячей воды 74 во впускных патрубках соединены подающим и распределительными топливопроводами 75 и 76 с аккумулятором топлива 65 через электромеханические запорные устройства 77, соединенные электросвязями 78 с микропроцессором управления подачами топлива и воды 79. Эти распылители подключены еще к горячей части аккумулятора воды 24 подающими водопроводами 25, 26 и 80 и распределительными 81, через подающий насос 28, фильтр 27 и электромеханические запорные устройства 82, связанные электросвязями 83 с микропроцессором управления подачами топлива и воды 79. Этот микропроцессор связан еще с датчиками угла поворота коленчатого вала и максимальных температуры и давления сгорания, а также с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя 84 электросвязями 85, 86 и 87. Для конверсии оксида углерода в диоксид реактор, содержащий катализатор из оксидов трехвалентного железа и хрома, совмещен с выпускным теплоизолированным или металлокерамическим коллектором при наличии за ним парогенератора. При этом на водопроводе 25, подводящем горячую воду из аккумулятора 24 в распылители контактно-поверхностного воздухоохладителя 23, установлен регулятор содержания оксида углерода 29 за контактно-поверхностным конденсатором 7. С целью конверсии оксида азота в диоксид при температуре ниже 140°С и его абсорбции каплями и струями воды воздухопровод 22 за контактно-поверхностным воздухоохладителем соединен со впускным газопроводом 14 газового нагнетателя 5 воздухопроводом 88, на котором установлен регулятор содержания оксида азота в продуктах сгорания 89 за контактно-поверхностным конденсатором 7. Для конверсии сернистого ангидрида в серный диоксидом азота при температуре ниже 450°С и его абсорбции каплями и струями воды при сжигании сернистого топлива контактно-поверхностный конденсатор 7 соединен с впускным газопроводом 14 газового нагнетателя 5 газопроводом 90, на котором установлен регулятор содержания сернистого ангидрида в продуктах сгорания 91 за контактно-поверхностным конденсатором 7. С целью повышения температуры газов перед парогенератором при работе на частичных нагрузках путем раздельного включения в работу цилиндров и их выключения установлены в головке (крышках) цилиндров электромеханические клапаны 92, объединенные общим газовым коллектором 93 и соединенные электросвязями 94 с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя 84. В этом случае электромеханические запорные устройства 77 и 82 на распределительных топливопроводах 76 и водопроводах 81 соединены электросвязями 78 и 83 с микропроцессором управления подачами топлива и воды 79. Для регулирования частоты вращения ротора электрогенератора 9 гидродинамическая передача 8 между этим электрогенератором и двухступенчатой двухпоточной турбиной 6 соединена электросвязью 95 с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя 84. С целью отключения комплексной системы глубокой утилизации теплоты и снижения вредных выбросов в атмосферу от двигателя установлены электромеханические запорные устройства 96 и 97 на газопроводах 14 и 98 и соединены электросвязями 99 с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя 84.
Двигатель 1 на фиг.2 содержит расширительную машину 100, которая соединена механической связью с газовым нагнетателем 5 и гидродинамической связью 101 с этим двигателем, подключена подводящими паропроводами 32 и 102 к аккумулятору пара 31, а отводящим паропроводом 103 к впускному трубопроводу 104 газового нагнетателя 5. К этому трубопроводу подключен еще парогенератор 2, совмещенный с выпускным коллектором, подводящим газопроводом 13. Отводящий газопровод 15 этого нагнетателя подключен к контактному конденсатору 105. На подводящем пар в расширительную машину 100 паропроводе 32 установлен регулятор давления пара 106 в аккумуляторе. Компрессор 4 соединен механической передачей 107 с двигателем 1, всасывающим воздухопроводом 108 с воздушным фильтром 109, а нагнетательным 21 – с контактным воздухоохладителем 110, который подсоединен воздухопроводом 22 к впускному коллектору 20. Распылители этого воздухоохладителя соединены водопроводами 25 и 111 с поддоном влагоотделителя 10. На водопроводе 111 установлен подающий насос 36, а на водопроводе 25 регулятор температуры 112 воздуха, поступающего в двигатель, или максимальной температуры сгорания. С поддоном этого влагоотделителя соединены еще распылители контактного конденсатора 105 водопроводами 111 и 35, на последнем установлен регулятор температуры газов 113 за детандером. Поддоны этих конденсатора и воздухоохладителя соединены водопроводами 38, 49 и 114 с горячей частью аккумулятора воды 24, при этом на водопроводе 114 установлен подающий насос 115. К этому водопроводу подключен баллон с аммиаком 39 газопроводом 41, на котором расположен регулятор рН 40 конденсата, сливаемого в горячую часть аккумулятора воды 24. Парогенератор 2 подключен к горячей части аккумулятора воды 24 подводящим водопроводом 26, который содержит фильтр 27, питательный насос 28 и регулятор температуры пара 34 в аккумуляторе пара 31. Для отвода пара из этого парогенератора в аккумулятор пара 31 проложен паропровод 30. Утилизация энергии выпускных газов производится детандером 116, соединенным с контактным конденсатором 105 подводящим газопроводом 117 и влагоотделителем 10 отводящим газопроводом 17, а также с электрогенератором 9 механической связью. С целью передачи вырабатываемого холода потребителю 118 поверхностный теплообменник 11 в выпускном газопроводе за влагоотделителем 10 соединен подающим и обратным теплопроводами 119, 120 и 121 с приборами потребителя холода 118 и холодной частью аккумулятора воды 56. При этом циркуляционный насос 122 установлен на теплопроводе 119, а подводящий и отводящий теплопроводы 119 и 120 соединены байпасным теплопроводом 123, на котором расположен регулятор температуры воздуха или другой среды 124 у потребителя 118. Приборы потребителя теплоты 125 и горячая часть аккумулятора воды 24 соединены подводящими и отводящими теплопроводами 126 и 127. При этом эти теплопроводы соединены байпасным теплопроводом 128, на котором установлен регулятор температуры воздуха или другой среды 129 у потребителя 125, а на подводящем теплопроводе 126 установлен циркуляционный насос 130. Для получения топливной эмульсии смеситель жидкого топлива и воды 131 подключен к топливному баку 132 и к горячей части аккумулятора воды 24 топливопроводом 133 и водопроводами 26 и 134. При этом на топливопроводе 133 и водопроводе 26 установлены фильтры 135 и 27, подающие насосы 136 и 28 соответственно, а на топливопроводе 133 и водопроводе 134 регулятор состава смеси 137, соединенный электросвязью 138 с микропроцессором управления подачами топлива и воды 79. Для подачи полученной эмульсии из этого смесителя в аккумулятор топлива 139 они соединены топливопроводом 140, который содержит подающий насос 141, фильтр 142 и регулятор давления топлива 143 в этом аккумуляторе. Этот аккумулятор подключен подающим и распределительными топливопроводами 144 и 145 к распылителям 146 в головке (крышках) цилиндров через электромеханические запорные устройства 147, соединенные электросвязями 148 с микропроцессором управления подачами топлива и воды 79. Для работы двигателя на природном газе аккумулятор топлива 139 подключен к распределительному газопроводу через газорегуляторное устройство 149 газопроводом 150. Для работы на сжиженном газе этот аккумулятор подсоединен к газовому баллону 151 газопроводом 152, на котором установлен регулятор давления газа 153 в этом аккумуляторе. В этом случае аккумулятор топлива 139 соединен подающим и распределительным газопроводами 154 и 155 с распылителями 156 через электромеханические запорные устройства 157, связанные электросвязями 148 с микропроцессором управления подачами топлива и воды 79. Для подогрева топлива в аккумуляторе 139 он оснащен поверхностным теплообменником 70, который подключен подводящими водопроводами 26 и 158 и отводящим водопроводом 159 к горячей части аккумулятора воды 24. При этом на подводящем водопроводе 26 установлены подающий насос 28 и фильтр 27, а на водопроводе 158 расположен регулятор температуры топлива 160 в аккумуляторе топлива 139. Запорные устройства 161 и 162 предназначены для переключения подачи топлива с эмульсии на газ и наоборот при переводе питания двигателя с одного вида топлива на другой. С целью регулирования коэффициента избытка воздуха в допустимых пределах подающий газопровод 15 газового нагнетателя 5 соединен со всасывающим воздухопроводом компрессора 4 воздухопроводом 163, на котором установлен регулятор коэффициента избытка воздуха 164. Для пуска двигателя расширительная машина 100 соединена с ним гидродинамической связью 101, с аккумулятором пара 31 и напорным газопроводом 15 нагнетателя 5 паропроводами 32 и 102 и газопроводом 165 соответственно. На паропроводе 32 и газопроводе 165 установлены электромеханические запорные устройства 166 и 167, связанные электросвязями 168 с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя 84.
С целью подачи конденсата из влагоотделителя 10 (фиг.3) в распылители контактного воздухоохладителя 110 и контактного конденсатора 105 на подающем конденсат водопроводе 111 установлен паронасос, или пневмонасос, или газонасос 169. Для подвода рабочего тела к приводу этого насоса из коллектора 170 он подключен к трубопроводу 171, на котором установлен регулятор давления подаваемого конденсата 172. С целью подачи горячей воды из аккумулятора 24 в парогенератор 2 они соединены водопроводом 26, на котором расположен паронасос, или пневмонасос, или газонасос 173. Для подвода рабочего тела из коллектора 170 он подключен к трубопроводу 174, на котором установлен регулятор давления подаваемой воды 175. Этот коллектор подсоединен к аккумулятору пара 31 паропроводом 176, к компрессору 4 воздухопроводом 177 и к парогенератору 2 или нагнетателю газов газопроводом 178. Для сброса рабочего тела из этих насосов в детандер 116 или влагоотделитель 10 они соединены с газопроводом 117 или 17 трубопроводами 179 и 180. С целью подачи в приводы насосов пара, или воздуха, или газов на паропроводе 176, воздухопроводе 177 и газопроводе 178 установлены запорные устройства 181, 182 и 183 соответственно. Электросвязь 184 между датчиком давления в аккумуляторе пара и микропроцессором управления подачами топлива и воды 87 служит для контроля и регулирования давления пара в этом аккумуляторе. Для подачи конденсата из контактных конденсатора 105 и воздухоохладителя 110 в горячую часть аккумулятора воды 24 под давлением газов и воздуха соответственно эта часть аккумулятора воды сообщена с атмосферой газопроводом 185, на котором установлен регулятор давления газов 186 в этой части аккумулятора. Другой способ подачи конденсата из этих аппаратов без регулятора реализуется соединением этой части аккумулятора трубопроводом 187 с газопроводом 117 за этим конденсатором или трубопроводом 188 с воздухопроводом 22 за этим воздухоохладителем, где давление ниже, чем в этих тепломассообменных аппаратах не менее чем на величину гидростатического давления воды в этой части аккумулятора. В этом случае на трубопроводах 187 и 188 установлены запорные устройства 189 и 190, предотвращающие одновременную подачу газов и воздуха в эту часть аккумулятора воды. Водопроводы 38 и 49 оснащены обратными клапанами 191 и 192, препятствующими сливу конденсата из этой части аккумулятора воды обратно в эти тепломассообменные аппараты при отсутствии в них избыточного давления газов и воздуха.
Для повышения температуры газов перед парогенератором и более полной конверсии оксида углерода в диоксид в реакторе при более высоких температурах, а также снижения массы и размеров парогенератора двигатель оснащен расположенными последовательно вдоль выпускного тракта за выпускным коллектором газовым нагнетателем 5 (фиг.4), реактором 193 с катализатором из оксидов трехвалентного железа и хрома, парогенератором 2, контактным конденсатором 105, детандером 116 и влагоотделителем 10, которые соединены газопроводами 13, 194, 195, 15, 117 и 17. Нагнетатель 5 соединен механической связью с расширительной машиной 100, подключенной к аккумулятору пара 31 паропроводом 32, на котором установлен регулятор отношения давления наддува к противодавлению выпускных газов (Рк/Рr) 196 или регулятор давления нагнетания газов, компрессор 4 соединен механической связью с детандером 116. Нагнетательный выпускной газопровод 194 связан с напорным впускным воздухопроводом 22 газопроводом 163, на котором установлен регулятор коэффициента избытка воздуха 164. Подающий паропровод 154 содержит регулятор содержания оксида углерода в продуктах сгорания 106 за реактором 193. Для отключения комплексной системы глубокой утилизации теплоты и снижения вредных выбросов в атмосферу от двигателя выпускной коллектор 197 связан с детандером 116 газопроводом 198. Кроме этого установлены запорные устройства 199 на газопроводе 198, 200 - на паропроводе 32, 201 и 202 - на газопроводах 13 и 117 соответственно.
Способ работы поршневого двигателя с комплексной системой глубокой утилизации теплоты и снижения вредных выбросов в атмосферу осуществляют следующим образом. Продукты сгорания из цилиндров двигателя 1 (фиг.1) направляют в парогенератор 2, совмещенный с выпускным коллектором, где их охлаждают, а затем подают по газопроводу 13 в расширительную машину 3. В этой машине они срабатывают и приводят ее в работу, а вместе с ней и компрессор 4, связанный с этой машиной механической связью. Далее газы следуют по газопроводу 14 в нагнетатель 5, где повышают их давление и подают по газопроводу 15 в контактно-поверхностный конденсатор 7. В этом конденсаторе продукты сгорания охлаждают и из них выделяют конденсат. Затем газы поступают по газопроводу 16 в первую ступень двухступенчатой двухпоточной турбины 6, где смешиваются с паром, подводимым во вторую ступень, после чего проходят по газопроводу 17 во влагоотделитель 10, где из образовавшейся смеси отделяют влагу, а сухие газы направляют по газопроводу 18 в поверхностный теплообменник 11, в котором они охлаждают теплоноситель холодной части аккумулятора воды, и выбрасывают их в атмосферу по газопроводу 19 через выпускную турбину 12. Во вторую ступень двухступенчатой двухпоточной турбины поступает пар по паропроводу 32 из аккумулятора пара 31. Продукты сгорания и пар срабатывают в ступенях турбины и приводят ее в работу, а эта турбина вращает нагнетатель и электрогенератор, связанные с ней механической связью и гидродинамической передачей. Необходимое количество пара, поступающего во вторую ступень двухступенчатой двухпоточной турбины по паропроводу 32, поддерживают регулятором 33 по допустимому коэффициенту избытка воздуха в продуктах сгорания, равному 1,02-1,05, при сжигании легкого жидкого и газового топлив. Изменение количества поступающего пара в эту турбину влияет на ее работу и работу приводимого ею нагнетателя 5, который может увеличивать или уменьшать давление газов за расширительной машиной, а следовательно, изменять ее мощность и мощность компрессора 4, связанного с ней механической связью. Пар, накапливаемый в аккумуляторе пара 31, генерируют в парогенераторе 2 и подводят в него по паропроводу 30. Питательную воду подают в этот парогенератор по водопроводу 26 насосом 28 через фильтр 27, при этом регулируют температуру пара в этом аккумуляторе регулятором 34 изменением количества подаваемой питательной воды в этот парогенератор. Холодный конденсат из влагоотделителя 10 подают в распылители контактно-поверхностного конденсатора 7 по водопроводу 35, на котором установлен регулятор уровня воды 37 в поддоне этого влагоотделителя. Воду из поддона этого конденсатора сливают в горячую часть аккумулятора воды 24 по водопрводу 38. При этом повышают показатель рН этой воды растворением в нем аммиака в водопроводе 38. Для этого подают аммиак из баллона 39 в этот водопровод по газопроводу 41, при этом регулируют количество подаваемого аммиака регулятором рН 40 по показателю рН этой воды, равном или большем 7. Растворение аммиака в конденсате нейтрализует образующиеся в нем кислоты. Наличие растворенного аммиака в воде благоприятно сказывается на снижении образования сажи в продуктах сгорания при его подаче в камеры сгорания. Регулятор уровня воды 37 во влагоотделителе 10 при уменьшении в нем конденсата уменьшает подачу холодной воды в распылители контактно-поверхностного конденсатора 7, в результате температура газов в этом конденсаторе повышается, а количество выделяющегося конденсата снижается, при этом увеличивается количество отделяющейся воды во влагоотделителе. При увеличении конденсата во влагоотделителе температуру газов в конденсаторе уменьшают увеличением количества холодной воды, подаваемой в его распылители регулятором уровня воды 37. Компрессор 4, который приводится расширительной машиной 3, подает воздух в контактно-поверхностный воздухоохладитель 23, который не только охлаждает нагретый воздух в этом компрессоре, но и увлажняет его. Для этого подают воду из горячей части аккумулятора воды 24 по водопроводам 25 и 26 насосом 28 в распылители этого воздухоохладителя. При этом регулируют количество подаваемой воды регулятором 29 по содержанию оксида углерода в продуктах сгорания. Сливают воду из поддона этого воздухоохладителя в горячую часть аккумулятора воды 24 по водопроводу 49. Циркулирующий теплоноситель, нагреваемый продуктами сгорания в контактно-поверхностном конденсаторе 7 через теплопередающие стенки, подают в приборы потребителя теплоты 42 по теплопроводу 43 насосом 46, где его охлаждают, а затем подают по подводящему теплопроводу 44 в водяной тракт контактно-поверхностного воздухоохладителя 23 для охлаждения наддувочного воздуха, если его температура оказывается ниже температуры этого воздуха, в противном случае этот теплоноситель опять возвращают по байпасному и отводящему теплопроводам 47 и 45 через регулятор температуры 48 в контактно-поверхностный конденсатор 7. Теплоноситель системы охлаждения двигателя циркулируют через горячую часть аккумулятора воды 24 по подающему и обратному водопроводам 50 и 51 под действием насоса 52. Регулируют температуру теплоносителя на выходе из двигателя в допустимых пределах подачей холодной воды из холодной части аккумулятора 24 в подающий водопровод 50 по трубопроводу 53 через регулятор этой температуры 54. Масло системы смазки циркулируют насосом 61 через поверхностный теплообменник 55 в холодной части аккумулятора воды 56, если его температура не превышает температуру горячей воды аккумулятора более чем на 10°С, в противном случае его циркулируют через поверхностный теплообменник, расположенный в горячей части этого аккумулятора 24. Регулируют температуру масла на выходе из двигателя в допустимых пределах изменением количества проходящего масла по байпасному маслопроводу 59 через регулятор температуры масла 60. Для охлаждения теплоносителя в холодной части аккумулятора воды 56 его циркулируют по подводящему и отводящему теплопроводам 62 и 63 через поверхностный теплообменник 11 в выпускной системе за влагоотделителем под действием насоса 64. Для снижения жесткости работы двигателя и улучшения его пусковых качеств при низких температурах топливо подогревают паром в аккумуляторе топлива 65 передачей теплоты через стенки поверхностного теплообменника 70. Для этого пар подают в этот поверхностный теплообменник из аккумулятора пара 31 по подводящему паропроводу 71, а отводят его в горячую часть аккумулятора воды 24 по трубопроводу 73. При этом регулируют температуру жидкого топлива ниже температуры образования паровых пробок в топливной системе изменением регулятором 72 количества подаваемого пара в этот теплообменник. Давление в аккумуляторе топлива поддерживают в допустимых пределах изменением регулятором 69 количества подаваемого в него топлива. Подают топливо и горячую воду из аккумуляторов 65 и 24 в распылители 74 во впускных патрубках после закрытия выпускных органов по подающему и распределительным топливопроводам 75 и 76, а также подающим и распределительным водопроводам 25, 26 и 81 через соответствующие электромеханические запорные устройства 77 и 82, при этом регулируют максимальные температуру и давление сгорания в допустимых пределах с микропроцессора управления подачами топлива и воды 79, изменениями количества подаваемой воды в распылители 74 и угла опережения впрыска или зажигания по сигналам с этого микропроцессора. При сжигании легкого жидкого и газового топлив при коэффициенте избытка воздуха 1,02-1,05 конвертируют оксид углерода в диоксид на поверхности катализатора из оксидов трехвалентного железа и хрома в реакторе, совмещенном с теплоизолированным или металлокерамическим выпускным коллектором, при этом регулируют содержание оксида углерода в продуктах сгорания за контактно-поверхностным конденсатором в допустимых пределах изменением регулятором 29 количества распыливаемой горячей воды в контактно-поверхностном воздухоохладителе 23. Для снижения содержания оксидов азота в продуктах сгорания воздух из трубопровода 22 после контактно-поверхностного воздухоохладителя 23 направляют по воздухопроводу 88 в трубопровод 14 перед газовым нагнетателем 5, при этом конвертируют оксид азота в диоксид кислородом воздуха при температуре ниже 140°С в выпускном газовом тракте, абсорбируют эти оксиды каплями и струями воды в контактно-поверхностном конденсаторе 7, регулируют содержание оксида азота в уходящих газах изменением регулятором 89 расхода воздуха, пропускаемого по этому воздухопроводу. Для снижения содержания оксидов серы в продуктах сгорания при сжигании сернистого топлива газы из контактно-поверхностного конденсатора 7 направляют по газопроводу 90 в трубопровод 14 перед газовым нагнетателем 5, при этом конвертируют сернистый ангидрид в серный диоксидом азота при температуре ниже 450°С в выпускном газовом тракте, абсорбируют оксиды серы каплями и струями воды в этом конденсаторе, регулируют содержание диоксида серы в уходящих газах изменением регулятором 91 количества пропускаемых газов по этому газопроводу. Для повышения температуры газов перед реактором или парогенератором 2, совмещенным с выпускным коллектором, при работе на частичных нагрузках эффективную мощность двигателя повышают при эксплуатации от нуля и выше включением подачи топлива первого цилиндра и плавным ее увеличением до максимального значения, затем последовательным включением подач всех остальных цилиндров и аналогичным их повышением, уменьшают эту мощность в обратной последовательности выключением подач топлива цилиндров и их плавным уменьшением до нуля по сигналам с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя 84, при этом сообщают между собой неработающие цилиндры через газовый коллектор 93 открытием электромеханических клапанов 92 в цилиндрах тоже по сигналам с этого микропроцессора. С целью сохранения постоянной частоты колебаний электрического тока электрогенератора 9 регулируют частоту вращения его ротора изменением передаточного отношения гидродинамической передачи 8 по сигналам с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя 84.
С целью повышения устойчивости работы двигателя и его приемистости, а также улучшения пусковых качеств, продукты сгорания после парогенератора 2 (фиг.2), совмещенного с выпускным коллектором, направляют по газопроводу 13 в газовый нагнетатель 5, который приводится паровой расширительной машиной 100 через механическую связь. Кроме этого она передает избыток своей мощности двигателю 1 через гидродинамическую связь 101. Газовый нагнетатель 5 повышает давление газов и подает их по газопроводу 15 в контактный конденсатор 105, где они охлаждаются и из них конденсируется вода. Из этого конденсатора газы поступают по газопроводу 117 в детандер 116, где срабатывают и опять охлаждаются, при этом он передает свою мощность электрогенератору 9. Из охлажденных газов во влагоотделителе 10 отделяют влагу, затем по газопроводу 18 их подают в поверхностный теплообменник 11, в котором они, нагреваясь, охлаждают холодный теплоноситель холодной части аккумулятора воды 56. Подогретые газы по газопроводу 19 выбрасываются в атмосферу через выпускную трубу 12. Пар в расширительную машину 100 подводится из аккумулятора пара 31 по паропроводу 32 через регулятор давления пара 106 в этом аккумуляторе. При падении в нем давления ниже допустимого нагнетатель 5 приводится двигателем 1 через связи гидродинамическую и механическую при открытом электромеханическом запорном устройстве 167 и закрытом 166 по сигналам с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя 84. Воздух подают во впускной коллектор 20 по воздухопроводам 21 и 22 через контактный воздухоохладитель 110 компрессором 4, который приводится двигателем 1 через механическую передачу 104. Для охлаждения воздуха и продуктов сгорания подают холодную воду из поддона влагоотделителя в эти воздухоохладитель и конденсатор по водопроводам 25 и 35 и общему водопроводу 111. При этом регулируют температуру воздуха, поступающего в двигатель, или максимальную температуру сгорания в допустимых пределах, изменением регулятором 112 количества подаваемой воды в распылители этого воздухоохладителя. Поддерживают температуру газов за детандером выше 0°С изменением регулятором 113 количества подаваемой холодной воды в распылители этого конденсатора. Отводят воду из поддонов этих тепломассообменных аппаратов под напором насоса 115 по водопроводам 38 и 49 и общему водопроводу 114 в горячую часть аккумулятора воды 24. Для предотвращения коррозии водопроводов и оборудования растворяют в этой воде аммиак, который подают из баллона 39 в водопровод 114 по газопроводу 41. При этом регулируют показатель рН этой воды более 7 путем изменения регулятором рН 40 количества подаваемого аммиака в этот водопровод. Содержание аммиака в воде благоприятно сказывается на снижении образования сажи в продуктах сгорания при подаче этой воды в камеры сгорания. Воду из горячей части аккумулятора 24 подают в парогенератор насосом 28 по водопроводу 26 через фильтр 27. При этом регулируют количество подаваемой воды регулятором 34 по температуре пара в аккумуляторе пара 31. Из этого аккумулятора пар направляют по паропроводу 32 через электромеханическое запорное устройство 166 в расширительную машину 100, а отводят от него отработанный пар по паропроводу 103 во впускной газопровод 104 газового нагнетателя 5. Для обеспечения потребителя 118 холодом циркулируют холодный теплоноситель через поверхностный теплообменник 11 в выпускной системе за влагоотделителем 10, холодную часть аккумулятора воды 24 и через приборы потребителя холода 118 по подающим и обратным теплопроводам 119, 120 и 121 под действием насоса 122, при этом регулируют температуру воздуха или другой среды у этого потребителя в допустимых пределах изменением регулятором 124 количества проходящего теплоносителя по байпасному теплопроводу 123 мимо этих приборов. С целью снабжения потребителя 125 теплотой, циркулируют горячий теплоноситель через приборы этого потребителя и горячую часть аккумулятора воды по подающим и обратным теплопроводам 126 и 127 под напором насоса 130, при этом регулируют температуру воздуха или другой среды у этого потребителя в допустимых пределах изменением регулятором 129 количества проходящего теплоносителя по байпасному теплопроводу 128 мимо этих приборов. Для подачи эмульсии в камеры сгорания жидкое топливо и горячую воду подают насосами 136 и 28 из топливного бака 132 и горячей части аккумулятора воды 24 по топливопроводу 133 и водопроводам 26 и 134 в смеситель 131 через фильтры 135 и 27 соответственно. В этом смесителе их перемешивают, а образовавшуюся эмульсию подают насосом 141 по топливопроводу 140 в аккумулятор топлива 139 через фильтр 142. При этом регулируют давление топлива в этом аккумуляторе в допустимых пределах изменением регулятором 143 количества проходящей эмульсии в этот аккумулятор. Подогревают эмульсию в этом аккумуляторе горячей водой, циркулирующей через поверхностный теплообменник 70 и горячую часть аккумулятора воды 24 по водопроводам подающим 26 и 158 и обратному 159. При этом регулируют температуру эмульсии ниже температуры образования паровых пробок в топливной системе изменением регулятором 160 количества проходящего теплоносителя через этот теплообменник. Подогретое топливо в аккумуляторе 139 подают через распылители 146 в камеры сгорания по топливопроводам подающему 144 и распределительным 145. При этом количество подаваемой эмульсии регулируют в соответствии с нагрузкой двигателя изменением продолжительности открытия электромеханических запорных устройств 147 с микропроцессора управления подачами топлива и воды 79. Поддерживают максимальную температуру сгорания в допустимых пределах изменением регулятором 137 состава эмульсии с микропроцессора управления подачами топлива и воды 79. Регулируют максимальное давление сгорания в допустимых пределах изменением угла опережения впрыска топлива тоже с этого микропроцессора. При работе двигателя на природном газе запорное устройство 161 закрывают, а 162 открывают. Газ подают в аккумулятор топлива 139 из распределительного газопровода по газопроводу 150 через газорегуляторное устройство 149, которое поддерживает необходимое давление газа в этом аккумуляторе. Для работы на сжиженном газе подачу природного газа прекращают, а сжиженный газ подают из баллона 151 в этот аккумулятор по газопроводу 152, при этом регулируют давление газа в аккумуляторе топлива в допустимых пределах изменением регулятором 153 количества подаваемого газа. Подогревают природный и сжиженный газ в этом аккумуляторе, также как эмульсию, регулируют их температуры в допустимых пределах аналогично. Подводят природный или сжиженный газ из аккумулятора топлива в распылители 156 во впускных патрубках после закрытия выпускных органов по подающему и распределительным топливопроводам 154 и 155 через электромеханические запорные устройства 157, которые пропускают топливо в распылители в определенный период и необходимом количестве по сигналам с микропроцессора управления подачами топлива и воды 79. При этом регулируют максимальную температуру сгорания в допустимых пределах изменением регулятором 112 количества распыливаемой холодной воды в контактном воздухоохладителе 110. Двигатель 1 пускают расширительной машиной 4. С этой целью его вращают этой машиной через гидромеханическую связь до начала работы двигателя. Для этого по сигналу с микропроцессора управления пуском работой и остановкой двигателя открывают электромеханическое запорное устройство 166 и пропускают пар из аккумулятора 31 по паропроводам 32 и 102 в расширительную машину 4 при закрытом электромеханическом запорном устройстве 167. Этот пар срабатывает в этой машине и приводит ее в движение, а вместе с ней и двигатель. Отработанный пар отводят во впускной газопровод 104 газового нагнетателя 5 по газопроводу 103. После пуска двигателя и уменьшения давления в аккумуляторе пара 31 ниже допустимого значения закрывают электромеханическое запорное устройство 166 и открывают 167 по сигналу с этого микропроцессора для снижения газодинамических потерь в расширительной машине во время работы двигателя. При повышении давления пара в этом аккумуляторе до требуемого уровня автоматически открывается электромеханическое запорное устройство 166 и закрывается 167. В случае остановки двигателя закрываются оба запорных устройства 166 и 167. Давление газов в контактном конденсаторе устанавливают в зависимости от требуемой температуры конденсации водяных паров в этом тепломассообменном аппарате или требуемой температуры продуктов сгорания за детандером или требуемому содержанию в продуктах сгорания вредных выбросов путем определения проходного сечения и размеров детандера. Для повышения температуры газов перед парогенератором в двигателях с объемной формой смесеобразования сжигают дизельное топливо при снижении коэффициента избытка воздуха в цилиндрах до 1,1-1,2 в высокооборотных дизелях, до 1,2-1,3 в среднеоборотных дизелях и до 1,3-1,4 в малооборотных дизелях, при этом уменьшают содержание сажи в продуктах сгорания повышением давления впрыска до (1000-1500)·105 Па в высокооборотных дизелях, до (1500-2000)·105 Па в среднеоборотных дизелях, до (2000-2500)·105 Па в малооборотных дизелях, для этого уменьшают диаметр сопловых отверстий, не изменяя их количества, сохраняют продолжительность впрыска или уменьшают его не более чем на 3°п.к.в., при этом регулируют коэффициент избытка воздуха рециркуляцией продуктов сгорания по газопроводу 163 из газопровода 15 за нагнетателем в воздухопровод 108 перед компрессором, максимальную температуру сгорания в допустимых пределах изменением регулятором 112 влажности и температуры воздуха в воздухоохладителе.
Конденсат из влагоотделителя 10 (фиг.3) подают паронасосом, или пневмонасосом, или газонасосом 169 в распылители контактных воздухоохладителя 110 и конденсатора 105 по водопроводам 25, 35 и 111. Приводят этот насос паром, поступающим из аккумулятора пара 31 по паропроводу 176 и трубопроводу 171 при открытом запорном устройстве 181 и закрытых 182 и 183, воздухом, направляемым из компрессора 4 по воздухопроводу 177 и трубопроводу 171 при открытом запорном устройстве 182 и закрытых 181 и 183, газами, проходящими из парогенератора 2 или нагнетателя газов 3 по газопроводу 178 и трубопроводу 171 при открытом запорном устройстве 183 и закрытых 181 и 182. При этом регулируют давление нагнетания этого насоса в допустимых пределах изменением регулятором 172 количества подаваемого рабочего тела в его привод. Воду из горячей части аккумулятора воды 24 подают паронасосом, или пневмонасосом, или газонасосом 173 в парогенератор 2 по водопроводу 26. Приводят этот насос паром, поступающим из аккумулятора пара 31 по паропроводу 176 и трубопроводу 174 при открытом запорном устройстве 181 и закрытых 182 и 183, газами, проходящими из парогенератора 2 или нагнетателя газов 3 по газопроводу 178 и трубопроводу 174 при открытом запорном устройстве 183 и закрытых 181 и 182. При этом регулируют давление нагнетания этого насоса в допустимых пределах изменением регулятором 175 количества подаваемого рабочего тела в его привод. Сливают конденсат из контактных воздухоохладителя 110 и конденсатора 105 по водопроводам 49, 38 и общему водопроводу 114 в горячую часть аккумулятора воды 24 под напором газов и воздуха, при этом газы выходят из этой части аккумулятора в атмосферу по газопроводу 185 через регулятор 186, который поддерживает в нем давление в допустимых пределах. Эти газы могут выпускаться из горячей части аккумулятора в выпускной газопровод 117 по газопроводу 187 при открытом запорном устройстве 189 и закрытом 190 или впускной воздухопровод 22 по воздухопроводу 188 при открытом запорном устройстве 190 и закрытом 189. При отсутствии давления в воздухоохладителе и конденсаторе обратные клапаны 191 и 192 предотвращают слив конденсата обратно в эти аппараты из горячей части аккумулятора воды 24.
Для более полной конверсии оксида углерода в диоксид, а также уменьшения размеров парогенератора и контактного конденсатора продукты сгорания из выпускного коллектора двигателя 1 (фиг.4) направляют последовательно по газопроводу 13 в газовый нагнетатель 5, газопроводу 194 в реактор с катализатором 193, газопроводу 195 в парогенератор 2, газопроводу 15 в контактный конденсатор 105, газопроводу 117 в детандер 116, а из него по газопроводу 17 через влагоотделитель 10 выбрасывают в атмосферу. Нагнетатель 5 приводят расширительной машиной 100, куда пар подают из аккумулятора 31 по паропроводу 32, а отводят его по паропроводу 103 в контактный конденсатор 105. Количество подаваемого пара изменяют регулятором 196 по требуемому отношению давления наддувочного воздуха к противодавлению выпускных газов (Рк/Рr) или давлению нагнетания газов. Компрессор 4 приводят детандером 116. Пар подают из аккумулятора 31 в камеры сгорания по паропроводам 154 и 155 через электромеханические запорные устройства 157. Коэффициент избытка воздуха регулируют регулятором 164 в допустимых пределах рециркуляцией продуктов сгорания по газопроводу 163 из нагнетательного газопровода 194 во впускной напорный воздухопровод 22. Оксид углерода конвертируют в диоксид в реакторе с катализатором при высоких температурах не менее 350°С и наличии паров воды в продуктах сгорания. Содержание оксида углерода в уходящих газах поддерживают регулятором 106 в допустимых пределах изменением количества подаваемого пара в камеры сгорания. Для отключения комплексной системы от двигателя запорные устройства 200 на паропроводе 32, 201 на газопроводе 13, 202 на газопроводе 117 закрывают, а открывают запорное устройство 199 на газопроводе 198. При включении этой системы в работу запорные устройства 200, 201 и 202 открывают, а запорное устройство 198 закрывают на соответствующих газопроводах.
Преимущество разработанного способа и устройства поршневого двигателя с комплексной системой глубокой утилизации теплоты и снижения вредных выбросов в атмосферу по сравнению с аналогами и прототипом заключается в увеличении мощности и улучшении топливной экономичности двигателя не менее чем в 1,5 раза без снижения его надежности, благодаря более эффективному превращению в работу отбросной теплоты не только продуктов сгорания, но и охлаждающей жидкости и масла, повышению температуры газов как в результате снижения коэффициента избытка воздуха, так и изменения мощности двигателя включением и выключением цилиндров и регулированию параметров воздуха, топлива и теплоносителей с применением микропроцессоров управления пуском, работой и остановкой двигателя, а также управления подачами топлива и воды; в значительном уменьшении размеров конденсатора, парогенератора и газопроводов, а также в увеличении абсорбции оксидов азота, серы и углерода, а также сажи каплями и струями воды при повышенном давлении продуктов сгорания в выпускной системе в результате применения нагнетательной и расширительной машин и рациональной их связи между собой и с поршневым двигателем; в значительном снижении вредных выбросов до нуля благодаря конверсии оксидов азота и углерода в диоксиды и диоксида серы в триоксид и их хорошему растворению в воде; в снижении массы двигателя в результате применения расширительной машины не только для привода нагнетателя, но и пуска двигателя; в одновременном обеспечении потребителей электроэнергией, теплотой, холодом и синтетической водой, выделенной из продуктов сгорания, без затраты на это мощности двигателя и топлива; в экономии электроэнергии и увеличении эффективной мощности двигателя благодаря приводу насосов газообразным рабочим телом и подаче конденсата из тепломассообменных аппаратов в аккумулятор воды под давлением газов и воздуха.
Изобретение предназначено для использования в области машиностроения, в частности в четырехтактных и двухтактных стационарных и транспортных поршневых двигателях внутреннего сгорания с наддувом, сжигающих газовое, легкое жидкое и дизельное топлива. Оно позволяет увеличить мощность двигателя и улучшить его топливную экономичности не менее чем в 1,5 раза, снизить выбросы оксидов углерода, азота и серы, а также сажи – до нуля как в результате глубокой утилизации теплоты продуктов сгорания, так и за счёт снижения коэффициента избытка воздуха до предельно допустимого значения, изменения мощности двигателя включением и выключением цилиндров, конверсии оксидов углерода и азота в диоксиды, а диоксида серы в триоксид и хорошего их растворения в воде, а также благодаря регулированию параметров воздуха, топлива и теплоносителей и применению микропроцессоров управления пуском, работой и остановкой двигателя и управления подачами топлива и воды. Поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит расположенные последовательно вдоль выпускной системы газовый нагнетатель, реактор с катализатором, парогенератор, конденсатор, детандер, влагоотделитель, поверхностный теплообменник и выпускной газопровод, соединенные газопроводами. Газовый нагнетатель повышает давление и плотность газов в выпускной системе и тем самым позволяет значительно уменьшить размеры реактора, парогенератора и конденсатора. Повышение давления увеличивает температуру конденсации водяных паров и повышает растворимость токсичных газов и диоксида углерода в каплях и струях воды в конденсаторе. При этом в реакторе происходит наиболее полная конверсия оксида углерода в диоксид благодаря высоким температуре и давлению продуктов сгорания и наличию паров воды. Газовый нагнетатель приводится расширительной машиной, к которой подводится пар из аккумулятора. Газы, расширяясь в детандере, охлаждаются и совершают работу, которая передается через механическую связь электрогенератору или компрессору. Последний может приводиться двигателем, а расширительная машина передавать этому двигателю избыточную мощность для повышения приемистости и устойчивости работы. Расширительная машина применена еще для запуска двигателя. Образующийся конденсат в воздухоохладителе и конденсаторе собирают в горячей части аккумулятора воды, а воду из влагоотделителя направляют в холодную часть этого аккумулятора. Подают питательную воду из горячей части аккумулятора воды насосом в парогенератор, а пар из этого парогенератора накапливают в аккумуляторе. Его используют не только для привода расширительной машины, но и для подачи в камеры сгорания с целью получения дополнительной работы и снижения образования токсичных веществ. 2 н. и 46 з.п.ф-лы, 4 ил.
| Деревянная пропеллерная низконапорная водяная турбина для гидросиловых установок малой мощности | 1947 |
|
SU89969A1 |
| Система автономного теплоэлектроснабжения | 1987 |
|
SU1495483A1 |
| СПОСОБ ВЫПЛАВКИ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ | 2009 |
|
RU2398888C1 |
| Шлакообразующая смесь для обработки жидкого металла | 1984 |
|
SU1191473A1 |
| EP 0298164 A1, 11.01.1989. | |||
