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 рекуперации энергии выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания (патент Великобритании №2283064, кл. F 02 В 37/00, F 01 В 21/04, F 02 С 5/00 от 01.10.93 г.), в котором поток выхлопных газов дизельного двигателя (100%) делится между турбиной (85%) и турбодетандером (15%), приводящие в действие компрессор и электрогенератор, соответственно. Для повышения количества вырабатываемой электроэнергии температуру продуктов сгорания перед турбодетандером повышают до 760°С путем сжигания в них топлива, при этом для повышения устойчивости работы технического средства зажигания смеси применяют дополнительную подачу воздуха в зону горения.
Недостатком этого способа рекуперации энергии выхлопных газов является только частичная утилизация теплоты продуктов сгорания, а сжигание дополнительного количества топлива перед турбодетандером не позволяет получить высокий КПД из-за низкой температуры газов, не превышающей 760°С. При более высокой температуре продуктов сгорания увеличивается противодавление в выпускном коллекторе, что приводит к снижению наполнения цилиндров воздухом.
Известно устройство двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2033553, кл. F 02 М 25/022, 1995), которое включает двигатель внутреннего сгорания и систему введения пара в цилиндры. Эта система содержит форсунку, установленную во впускном коллекторе, которая соединена паропроводом с теплообменником-испарителем, расположенным на впускном коллекторе и соединенным с емкостью для хранения воды водопроводом. На входе в этот водопровод установлен жиклер, а на самом водопроводе - термочувствительный клапан. Диаметр жиклера выбирается из расчета расхода воды, равного 1,1-1,2 массы топлива. Термочувствительный клапан служит для пропуска воды в теплообменник-испаритель при нагреве выпускного коллектора равным и выше 250°С.
Недостатками этой конструкции являются потребность в чистой воде, повышение теплопотерь с выпускными газами из-за увеличения теплоемкости и количества продуктов сгорания, а также снижение КПД двигателя из-за уменьшения максимальной температуры сгорания.
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 работы двигателя внутреннего сгорания и устройство для его реализации (патент РФ №2126896, кл. F 02 В 47/02, F 02 М 25/022 от 13.03.96 г.), выбранный в качестве прототипа, который устраняет потребность в питательной воде регенерацией ее из парогазового потока.
Способ работы осуществляют следующим образом. Продукты сгорания из выпускного коллектора подают в распределительное устройство, где их разделяют на два потока. Один поток поступает в атмосферу, а другой направляют в пароэжекторный холодильник, где его охлаждают и подводят в конденсатор, в котором выделяют конденсат из продуктов сгорания. Этот конденсат фильтруют и накапливают в расходном баке, откуда насосом подают в распылители через регулятор расхода воды. Задатчик режима работы совместно с этим регулятором изменяют количество подаваемой воды в распылители в зависимости от режима работы двигателя, при этом распределительным устройством изменяют соотношение между количеством поступающих газов в атмосферу и пароэжекторный холодильник.
Устройство для реализации этого способа оснащено пароэжекторным холодильником и конденсатором, которые соединены газопроводом и подключены к выпускному коллектору через распределительное устройство. Конденсатор соединен водопроводом с расходным баком для накопления конденсата, на котором установлен фильтр. К этому баку подключены последовательно водопроводами насос, регулятор расхода воды и распылители, установленные во впускном коллекторе. Задатчик режима работы соединен кинематическими связями с двигателем, распределительным устройством и регулятором расхода.
Основным недостатком этого прототипа являются утилизация теплоты только части общего количества продуктов сгорания, поступающих в пароэжекторный холодильник, потери впрыснутой воды, поступающей вместе с воздухом в цилиндры, а вместе с ней и теплоты при выпуске продуктов сгорания через распределительное устройство в атмосферу, а также коррозия теплопроводов и оборудования, в которых конденсируется влага из продуктов сгорания и по которым поступает конденсат в распылители во впускном коллекторе.
Технический результат - значительное повышение мощности, топливной экономичности и надежности двигателя, существенное снижение вредных выбросов в атмосферу, обеспечение установки чистой синтетической водой при любых естественных условиях окружающей среды, выработка теплоты, холода и электрической энергии, значительное уменьшение размеров тепломассообменных аппаратов и трубопроводов, а также уменьшение затрат тепловой и электрической энергии на прогрев двигателя перед пуском при низких температурах наружного воздуха.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способу достигается тем, что в поршневом двигателе внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом, включающим охлаждение продуктов сгорания в теплообменниках, выделение воды из продуктов сгорания в конденсаторе и добавление этой воды в топливовоздушную смесь в соответствии с режимом работы, особенностью является то, что продукты сгорания охлаждают последовательно в парогенераторе, совмещенном с выпускным коллектором, контактном конденсаторе и в турбодетандере или винтовой расширительной машине, выделяют из продуктов сгорания горячую воду в контактном конденсаторе за парогенератором и холодную воду во влагоотделителе за турбодетандером или винтовой расширительной машиной, аккумулируют горячую и холодную воду, поступающую из контактных конденсатора, воздухоохладителя и влагоотделителя в горячей и холодной частях аккумулятора воды, получают пар в парогенераторе, накапливают его в аккумуляторе и подают в турбину или винтовую расширительную машину, впрыскивают горячую воду из аккумулятора воды в камеры сгорания при горении топлива в соответствии с нагрузкой двигателя, подают холодную воду из аккумулятора воды в контактный конденсатор и распыливают ее там против движения газового потока, подают воздух в цилиндры компрессором, приводимым турбиной или винтовой расширительной машиной, охлаждают воздух в контактном воздухоохладителе распыливанием холодной воды из аккумулятора, передают мощность турбодетандера или винтовой расширительной машины электрогенератору, при этом регулируют максимальную температуру сгорания в допустимых пределах изменением количества подаваемой горячей воды из аккумулятора в камеры сгорания, максимальное давление сгорания в допустимых пределах изменением угла опережения спрыска топлива или зажигания, температуру пара в аккумуляторе в допустимых пределах изменением количества подаваемой горячей воды из аккумулятора в парогенератор, температуру воздуха после контактного воздухоохладителя в допустимых пределах изменением количества распыливаемой холодной воды из аккумулятора в этом воздухоохладителе, температуру газов после контактного конденсатора ниже температуры точки росы изменением количества распыливаемой холодной воды из аккумулятора в этом конденсаторе, показатель рН больше 7 горячей воды, поступающей из контактного конденсатора в аккумулятор воды, добавлением аммиака в эту воду, и количество подаваемого воздуха в цилиндры в соответствии с минимально допустимым коэффициентом избытка воздуха изменением количества подводимого пара в турбину или винтовую расширительную машину, приводящую компрессор, при этом пар из аккумулятора подводят в поверхностный теплообменник для нагрева топлива в аккумуляторе или в поверхностные теплообменники для нагрева топлива в аккумуляторе и топливном баке, а отводят этот пар или конденсат в горячую часть аккумулятора воды, при этом регулируют температуру жидкого топлива ниже температуры образования паровых пробок в топливной системе, а газового топлива - по содержанию или изменению содержания оксида углерода в продуктах сгорания соответственно, давление жидкого топлива в аккумуляторе по содержанию или уменьшению содержания оксида углерода или сажи в продуктах сгорания, а газового топлива - выше максимального давления сгорания в цилиндрах, причем воздух после компрессора охлаждают в поверхностном воздухоохладителе циркулирующим теплоносителем через этот воздухоохладитель и холодную часть аккумулятора воды, при этом регулируют температуру поступающего воздуха в двигатель в допустимых пределах изменением количества протекающего теплоносителя через этот воздухоохладитель. Кроме того, воду нагревают в парогенераторе до критических давления (22.1 МПа) и температуры (374,15°С) и подают в аккумулятор пара, отводят его из этого аккумулятора в камеры сгорания при горении топлива и турбину или винтовую расширительную машину, при этом регулируют температуру пара в аккумуляторе, не превышающую критическую (374,2°С), изменением количества горячей воды, подаваемой в парогенератор, давление пара, не превышающее критическое (22,1 МПа), сбросом его в цилиндры при расширении газов через электромеханические запорные устройства по команде с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя, максимальную температуру сгорания в допустимых пределах изменением температуры надувочного воздуха после поверхностного воздухоохладителя, содержание оксида углерода в продуктах сгорания изменением количества подаваемого пара в камеры сгорания по команде с микропроцессора управления подачами топлива, и воды мощность двигателя изменением количества подаваемых пара в турбину или винтовую расширительную машину, приводящую компрессор, и количества топлива в камеры сгорания, соответствующего минимально допустимому коэффициенту избытка воздуха, где минимально допустимый коэффициент избытка воздуха для наиболее экономичной работы двигателя определяют микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя по допустимому содержанию или уменьшению содержания оксида углерода в продуктах сгорания при сжигании легкого жидкого и газового топлив и по допустимому содержанию или уменьшению содержания сажи в продуктах сгорания при сжигании дизельного топлива и мазута, при этом продукты сгорания из газопровода за парогенератором рециркулируют по газопроводу во впускной воздухопровод компрессора для повышения температуры газов перед парогенератором, при этом регулируют минимально допустимый коэффициент избытка воздуха регулятором изменением количества проходящих газов по этому газопроводу, причем теплоноситель системы охлаждения двигателя циркулирует по теплопроводам через поверхностный теплообменник в холодной части аккумулятора воды под действием насоса, где его охлаждают холодной водой, при этом регулируют температуру этого теплоносителя в допустимых пределах изменением регулятором количества протекающего теплоносителя через этот теплообменник. Кроме того, масло циркулирует по маслопроводам через поверхностный теплообменник в холодной части аккумулятора воды под действием насоса, где его охлаждают холодной водой, при этом регулируют температуру этого масла на выходе из двигателя в допустимых пределах изменением регулятором количества масла, проходящего через этот теплообменник, причем воду в холодной части аккумулятора охлаждают циркулирующим теплоносителем через эту часть аккумулятора и теплообменник в выпускной системе за турбодетандером или винтовой расширительной машиной, при этом регулируют температуру воды в холодной части аккумулятора выше 0°С изменением регулятором количества проходящего теплоносителя через этот теплообменник под действием насоса, где для конверсии оксида азота в диоксид кислородом воздуха при температуре ниже 140°С и абсорбции диоксида азота каплями и струями воды воздух из воздухопровода за воздухоохладителем направляют по воздухопроводу в газопровод, расположенный за парогенератором, при этом регулируют количество направляемого воздуха регулятором по допустимому содержанию или изменению содержания оксида азота в продуктах сгорания за контактно-поверхностным конденсатором, причем для конверсии сернистого ангидрида в серный при температуре ниже 450°С диоксидом азота, растворенным в конденсате, и его абсорбции каплями и струями воды при сжигании сернистого топлива подают конденсат насосом из контактно-поверхностного конденсатора по водопроводу в газопровод за парогенератором и там ее распыливают, при этом регулируют количество подаваемого конденсата регулятором по допустимому содержанию или изменению содержания сернистого ангидрида в продуктах сгорания за контактно-поверхностным конденсатором. Кроме того, подают холодную воду из аккумулятора в распылители контактно-поверхностного конденсатора, а сливают образовавшийся конденсат в горячую часть аккумулятора воды, циркулируют теплоноситель через водяной тракт этого конденсатора и нагревательные (охладительные) приборы под действием насоса, при этом регулируют температуру воздуха или другой среды у потребителя изменением регулятором количества циркулирующего теплоносителя через эти приборы, температуру газов за контактно-поверхностным конденсатором ниже температуры точки росы изменением регулятором количества распыливаемой в нем холодной воды, а также значение показателя рН сливаемого конденсата больше 7 изменением регулятором количества добавляемого в него аммиака, где циркулируют холодный теплоноситель через охладительные (нагревательные) приборы, а также холодную часть аккумулятора воды под действием насоса, где его охлаждают смешиванием с холодной водой аккумулятора, при этом регулируют температуру воздуха или другой среды у потребителя изменением регулятором количества циркулирующего теплоносителя через эти приборы, при этом теплоту, которая выделяется на тормозных устройствах при торможении транспортного средства передают теплоносителю, движущемуся внутри тормозных устройств, а этот теплоноситель циркулируют по теплопроводам через горячую часть аккумулятора воды под действием насоса при его температуре, превышающей температуру воды в этой части аккумулятора, в противном случае этот теплоноситель циркулируют в системе охлаждения тормозных устройств, минуя эту часть аккумулятора, при этом циркуляцию теплоносителя внутри тормозных устройств или через горячую часть аккумулятора воды осуществляют регулятором, причем продукты сгорания после парогенератора срабатывают в первой ступени двухступенчатой двухпоточной турбины, затем их охлаждают в поверхностном конденсаторе и в первой ступени двухступенчатого двухпоточного турбодетандера, выделяют из продуктов сгорания горячую воду в поверхностном конденсаторе за этой турбиной и холодную воду во влагоотделителе за этим турбодетандером, накапливают горячую воду, поступающую из поверхностного конденсатора, в аккумуляторе, а холодную воду из влогоотделителя направляют в распылители контактно-поверхностного воздухоохладителя и контактно-поверхностного радиатора, генерируют пар в парогенераторе и накапливают его в аккумуляторе, подают этот пар по паропроводам в цилиндры в конце впуска через впускные патрубки во вторую ступень двухступенчатой двухпоточной турбины, а также во вторую ступень двухступенчатого двухпоточного турбодетандера, подают воздух в цилиндры компрессором, приводимым этой турбиной, охлаждают воздух в контактно-поверхностном воздухоохладителе распыливанием в нем холодной воды из влагоотделителя и циркуляцией холодного теплоносителя через этот воздухоохладитель, контактно-поверхностный радиатор, поверхностный теплообменник в холодной части аккумулятора воды, а также поверхностный теплообменник в выпускном газопроводе за этим турбодетандером, при этом регулируют температуру холодного теплоносителя в циркуляционном контуре изменением частоты вращения вентилятора перед контактно-поверхностным радиатором или(и) количества распыливаемой холодной воды между этими радиатором и вентилятором, температуру воздуха после контактно-поверхностного воздухоохладителя в допустимых пределах изменением количества распыливаемой холодной воды в этом воздухоохладителе, максимальную температуру сгорания в допустимых пределах изменением количества подаваемого пара во впускные патрубки из аккумулятора, максимальное давление сгорания в допустимых пределах изменением угла опережения спрыска топлива или зажигания, давление пара в аккумуляторе изменением количества подаваемого пара во вторую ступень двухступенчатого двухпоточного турбодетандера, минимально допустимый коэффициент избытка воздуха по содержанию или уменьшению содержания оксида углерода в продуктах сгорания при сжигании легкого жидкого и газового топлив и по содержанию или уменьшению содержания сажи в продуктах сгорания при сжигании дизельного топлива путем изменения мощности, подводимой от этой турбины к компрессору. Кроме того, холодный циркулирующий теплоноситель направляют в контактно-поверхностный воздухоохладитель для охлаждения воздуха, если температура этого теплоносителя перед этим воздухоохладителем становится меньше температуры наддувочного воздуха после компрессора, в контактно-поверхностный радиатор для охлаждения циркулирующего теплоносителя, если его температура становится больше температуры наружного воздуха, в поверхностный теплообменник в холодной части аккумулятора воды, если температура циркулирующего теплоносителя снижается ниже температуры воды в этой части аккумулятора и в поверхностный теплообменник в системе выпуска за двухступенчатым двухпоточным турбодетандером, если его температура повышается выше температуры продуктов сгорания за этим турбодетандером, где подают сжиженный газ на питание двигателя из баллона через аккумулятор топлива, где он, расширяясь, охлаждается и подогревается теплоносителем, циркулирующим по теплопроводам через поверхностные теплообменники в этом аккумуляторе и в холодной части аккумулятора воды, при этом регулируют температуру этого газа в аккумуляторе топлива по содержанию или изменению содержания оксида углерода в продуктах сгорания путем изменения количества циркулирующего теплоносителя через эти теплообменники, причем циркулирующие теплоносители через поверхностные теплообменники в холодной части аккумулятора воды охлаждают теплоносителем, замерзающим при низкой температуре, при этом для снабжения потребителя теплотой циркулируют теплоноситель насосом по водопроводам через нагревательные (охладительные) приборы у потребителя и поверхностный теплообменник в горячей части аккумулятора воды, причем регулируют температуру воздуха или другой среды у потребителя изменением регулятором количества циркулирующего теплоносителя через эти приборы, где при сжигании сернистого топлива нитрозный газ подают из газопровода перед поверхностным конденсатором в газопровод за парогенератором по газопроводу для конверсии сернистого ангидрида в серный при температуре ниже 450°С и его абсорбции каплями и струями воды в этом конденсаторе, при этом регулируют количество подаваемого нитрозного газа регулятором по содержанию или изменению содержания сернистого ангидрида за этим конденсатором, а в двигателях с металлокерамическими деталями камеры сгорания регулируют максимальную температуру сгорания охлаждением и увлажнением наддувочного воздуха в контактно-поверхностном воздухоохладителе или подачей воды или пара в цилиндры в начале впуска. Кроме того, давление газов в конденсаторе регулируют путем увеличения или уменьшения дросселирования газов в турбодетандере по содержанию или уменьшению содержания в продуктах сгорания оксидов азота и оксида углерода при сжигании легкого жидкого и газового топлив, а также сажи, оксидов азота и серы при сжигании дизельного топлива, причем перед пуском двигателя транспортного средства в холодный период года теплоноситель в холодной и горячих частях аккумулятора воды нагревают электронагревателями до кипения и циркулируют периодически масло и теплоносители в системах смазки и охлаждения прокручиванием двигателя до его прогрев, где при установке транспортного средства на стоянку в холодный период года по команде с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя сливают горячую и холодную воду из аккумулятора воды, влагоотделителя, конденсатора и воздухоохладителя, закрывают электромеханические запорные устройства, предотвращающие подачу пара в камеры сгорания, турбину, поверхностный теплообменник аккумулятора топлива, турбодетандер, а также обратно в парогенератор, при этом перед пуском двигателя транспортного средства его прогревают по команде с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя, для этого открывают электромеханические запорные устройства и подают пароводяную смесь, нагретую до критического состояния из аккумулятора пара в емкости аккумулятора воды и поверхностный теплообменник аккумулятора топлива, при этом прокручиванием коленчатого вала и работой насосов прогревают теплоноситель системы охлаждения, масло, воздух, топливо и электролит в системах двигателя, причем перед пуском двигателя воду или пар в аккумуляторе пара нагревают до критического состояния электронагревателем, а после пуска и прогрева двигателя электромеханические запорные устройства, через которые подается пар или вода на прогрев двигателя, закрывают по команде с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя, а открывают электромеханические запорные устройства, подающие пар в камеры сгорания, турбину, турбодетандер, а также системы подогрева топлива и теплоснабжения.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройству достигается тем, что в известном устройстве поршневого двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом, включающем поршневой двигатель внутреннего сгорания, конденсатор, устройство охлаждения продуктов сгорания, распылители воды, установленные во впускной системе и подключенные к емкости с водой водопроводами через регулятор расхода и водяной насос, особенность заключается в том, что оно снабжено расположенными последовательно вдоль выпускной системы по ходу движения газов парогенератором, совмещенным с выпускным коллектором, контактным конденсатором, турбодетандером или винтовой расширительной машиной, соединенным(ой) механической связью с электрогенератором и влагоотделителем, а также оснащено, расположенными последовательно вдоль впускной системы по ходу движения воздуха, воздушным фильтром, компрессором, контактным воздухоохладителем и впускным коллектором, при этом поддон влагоотделителя подключен водопроводом к холодной части аккумулятора воды, поддоны контактных конденсатора и воздухоохладителя соединены водопроводами с горячей частью аккумулятора воды, парогенератор подключен подводящим водопроводом к горячей части аккумулятора воды и отводящим паропроводом к аккумулятору пара, от которого отведены паропроводы к турбине или винтовой расширительной машине, соединенной механической связью с компрессором, причем отводящие водопроводы от холодной и горячей части аккумулятора воды оснащены фильтрами и насосами, подающими холодную воду в контактные конденсатор и воздухоохладитель, и горячую воду - в парогенератор и камеры сгорания двигателя, при этом распылители контактного конденсатора соединены с холодной частью аккумулятора воды водопроводом, на котором установлен регулятор температуры газов за этим конденсатором, а распылители контактного воздухоохладителя соединены с холодной частью аккумулятора воды водопроводом, на котором установлен регулятор температуры воздуха за этим воздухоохладителем, при этом к водопроводу, сливающему горячую воду из поддона контактного конденсатора в горячую часть аккумулятора воды, подсоединен баллон с аммиаком посредством газопровода, на котором установлен регулятор показателя рН воды, поступающей в эту часть аккумулятора, где на водопроводе, соединяющем горячую часть аккумулятора воды с парогенератором, установлен регулятор температуры пара в аккумуляторе пара, а на паропроводе, соединяющем аккумулятор пара с турбиной или винтовой расширительной машиной, связанной с компрессором механической связью, установлен регулятор коэффициента избытка воздуха. Кроме того, распылители горячей воды в головке (крышках) цилиндров подключены к горячей части аккумулятора воды подводящим и распределительными водопроводами через электромеханические запорные устройства, соединенные электросвязями с микропроцессором управления подачами топлива и воды, при этом на подводящем водопроводе установлен регулятор давления воды в распределительных водопроводах, а этот микропроцессор соединен еще с датчиками угла поворота коленчатого вала и максимальных температуры и давления сгорания, причем топливная система оснащена аккумулятором топлива и топливным баком, с установленными в них поверхностными теплообменниками, при этом теплообменник аккумулятора топлива подключен подводящим паропроводом к аккумулятору пара, на котором установлен регулятор температуры топлива в аккумуляторе, а отводящим паропроводом к горячей части аккумулятора воды или к теплообменнику топливного бака, который соединен трубопроводом с горячей частью аккумулятора воды, где впускная система оснащена поверхностным воздухоохладителем, который соединен подводящим и отводящим водопроводами с холодной частью аккумулятора воды, при этом эти водопроводы соединены байпасным водопроводом, на котором расположен регулятор температуры воздуха, поступающего в двигатель, а на подводящем водопроводе установлен циркуляционный насос, причем распылители топлива и пара в головке (крышках) цилиндров подключены к аккумулятору топлива и пара топливопроводами и водопроводами, на которых расположены электромеханические запорные устройства, турбина или винтовая расширительная машина соединена с компрессором механической связью, а с аккумулятором пара паропроводом, на котором расположен регулятор мощности этой турбины, газопровод за парогенератором соединен с воздухопроводом перед компрессором газопроводом, на котором расположен регулятор коэффициента избытка воздуха, подающий и обратный водопроводы поверхностного воздухоохладителя соединены байпасным водопроводом, на котором установлен регулятор максимальной температуры сгорания, причем эти электромеханические запорные устройства и регулятор максимальной температуры сгорания соединены электросвязями с микропроцессором управления подачами топлива и воды, датчики давления пара в аккумуляторе и содержания оксида углерода или сажи в продуктах сгорания связаны электросвязями с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя, кроме этого эти микропроцессоры соединены еще между собой электросвязью. Кроме того, система охлаждения двигателя оснащена поверхностным теплообменником, установленным в холодной части аккумулятора воды и соединенным с этой системой подающим и обратным водопроводами, при этом эти водопроводы соединены байпасным водопроводом, на котором расположен регулятор температуры воды на выходе из двигателя, а система охлаждения снабжена циркуляционным насосом, причем система смазки оснащена поверхностным теплообменником, установленным в холодной части аккумулятора воды и соединенным с этой системой подающим и обратным маслопроводами, при этом эти маслопроводы соединены байпасным маслопроводом, на котором расположен регулятор температуры масла на выходе из двигателя, а система смазки снабжена циркуляционным насосом, где поверхностный теплообменник установлен в выпускной системе за турбодетандером и соединен подающим и обратным водопроводом с холодной частью аккумулятора воды, при этом эти теплопроводы соединены байпасным теплопроводом, на котором расположены регулятор температуры воды в холодной части аккумулятора, а на подающем теплопроводе установлен циркуляционный насос, причем воздухопровод за поверхностным воздухоохладителем соединен с газопроводом за парогенератором, воздухопроводом, на котором установлен регулятор содержания оксида азота в продуктах сгорания за контактно-поверхностным конденсатором, при этом поддон контактно-поверхностного конденсатора соединен с распылителями в газопроводе за парогенератором водопроводом, на котором установлен подающий насос и регулятор содержания сернистого ангидрида в продуктах сгорания за этим конденсатором. Кроме того, контактно-поверхностный конденсатор соединен подводящим газопроводом с парогенератором и паропроводом с турбиной или винтовой расширительной машиной, а отводящим газопроводом с турбодетандером или винтовой расширительной машиной, подводящим и отводящим теплопроводами с нагревательными (охладительными) приборами, подводящим - воду в распылители этого конденсатора водопроводом с холодной частью аккумулятора воды, а отводящим - конденсат от него водопроводом с горячей частью аккумулятора воды, при этом подводящий и отводящий теплопроводы соединены байпасным теплопроводом, на котором расположен регулятор температуры воздуха или другой среды у потребителя, на подводящем водопроводе установлен регулятор температуры газов за этим конденсатором, а к отводящему конденсат водопроводу подключен баллон с аммиаком газопроводом, на котором установлен регулятор рН конденсата, сливаемого в горячую часть аккумулятора воды, причем охладительные (нагревательные) приборы соединены подающим и обратным водопроводами с холодной частью аккумулятора воды, при этом эти водопроводы соединены байпасным водопроводом, на котором расположен регулятор температуры воздуха или другой среды у потребителя, а на подающем водопроводе установлен циркуляционный насос. Кроме этого, система охлаждения тормозных устройств транспортного средства соединена с горячей частью аккумулятора воды подающим и обратным теплопроводами, соединенными байпасным теплопроводом, на котором расположен регулятор температуры теплоносителя, поступающего в эту часть аккумулятора, а также она оснащена циркуляционным насосом, установленным на подающем теплопроводе, и оснащено двухступенчатой двухпоточной турбиной, подключенной первой ступенью к парогенератору подающим газопроводом, а второй ступенью к аккумулятору пара подводящим паропроводом, а также соединенной общим отводящим газопроводом с поверхностным конденсатором, а механической связью с компрессором, кроме этой турбины содержит контактно-поверхностный воздухоохладитель, установленный между компрессором и впускным коллектором, контактно-поверхностный радиатор, расположенный перед вентилятором, двухступенчатый двухпоточный турбодетандер, подключенный первой ступенью к поверхностному конденсатору подающим газопроводом, а второй ступенью к аккумулятору пара подводящим паропроводом и соединенный общим отводящим газопроводом с влагоотделителем, а также включает подающий паропровод и распределительные с электромеханическими запорными устройствами, соединяющие аккумулятор пара с впускными патрубками, при этом эти запорные устройства соединены электросвязями с микропроцессором управления подачами топлива и воды, на подводящем пар в эту турбину паропроводе установлен регулятор коэффициента избытка воздуха, соединенный электросвязью с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя и на подводящем пар в этот турбодетандер паропроводе расположен регулятор давления пара в аккумуляторе, причем поверхностный теплообменник в холодной части аккумулятора воды, поверхностный теплообменник в выпускной системе за турбодетандером, поверхностный конденсатор, контактно-поверхностный воздухоохладитель и контактно-поверхностный радиатор соединены между собой подводящими и отводящими теплопроводами и образуют циркуляционный контур с водяным насосом на одном из теплопроводов, эти парные теплопроводы соединены байпасными теплопроводами, на которых установлены регуляторы температуры циркулирующего теплоносителя, при этом поддоны этих воздухоохладителя и конденсатора подключены сливными водопроводами к горячей части аккумулятора воды, а нагревательные (охладительные) приборы соединены с поверхностным теплообменником в этой части аккумулятора подводящим и отводящим теплопроводами, на одном из которых установлены циркуляционный насос и регулятор температуры воздуха или другой среды у потребителя, при этом аккумулятор топлива соединен подводящим топливопроводом с емкостью для хранения газового топлива, а отводящим и распределительными топливопроводами с распылителями топлива и оснащен поверхностным теплообменником, который соединен подводящим и отводящим теплопроводами с поверхностным теплообменником в холодной части аккумулятора воды, при этом на одном из теплопроводов расположены циркуляционный насос и регулятор температуры топлива в аккумуляторе, где газопровод перед поверхностным конденсатором соединен с газопроводом за парогенератором газопроводом, на котором установлен регулятор содержания сернистого ангидрида за этим конденсатором. Кроме того, двигатель оснащен металлокерамическими деталями камеры сгорания и выпускного коллектора, системой подачи воды или пара в цилиндры в начале впуска, а также регуляторами максимальных температуры и давления сгорания, при этом объем аккумулятора пара выбирается таким, чтобы его хватило для накопления пароводяной смеси, нагретой до критического состояния (Ркр=22,1 МПа и Ткр=374,15°С) при максимальном избытке тепловой энергии, причем объемы холодного и горячего частей аккумулятора воды выбираются такими, чтобы количество содержащегося в них теплоносителя, нагретого до температуры кипения, хватило для прогрева двигателя перед пуском при самой низкой температуре наружного воздуха.
Рабочий процесс с газопаровым рабочим телом разработан для стационарных и транспортных двухтактных и четырехтактных поршневых двигателей внутреннего сгорания с наддувом, с различными номинальной частотой вращения коленчатого вала и диаметром цилиндра, способами смесеобразования и сгорания, системами охлаждения, смазки и топливоподачи, работающие на газовом, легком жидком и дизельном топливах, предназначенных для эксплуатации в различных климатических районах. Наиболее предпочтительна и приемлема разработанная система для двигателей наземного транспорта с наддувом с электронными системами спрыска топлива и регулирования двигателя. Ниже описывается устройство и работа этой системы с аккумуляторами пара, воды и топлива, различными схемами наддува, подачами воды или пара в цилиндры, способами подогрева двигателя перед пуском, циркуляционными контурами горячего и холодного теплоносителей и конструкциями тепломассообменных аппаратов.
На фиг.1, 2, 3 и 4 показаны схемы поршневого двигателя, в котором реализуются варианты рабочего процесса с газопаровым рабочим телом. На фиг.1 изображена схема, в которой компрессор приводится паровой турбиной и подает воздух в цилиндры двигателя. Продукты сгорания охлаждаются в парогенераторе, контактном конденсаторе и турбодетандере, а наддувочный воздух в контактном воздухоохладителе. Пар подается в турбину из аккумулятора, который генерируется в парогенераторе теплотой продуктов сгорания. Вода впрыскивается в камеры сгорания из горячей части аккумулятора, куда она подается из конденсатора. Холодная часть этого аккумулятора снабжается водой, выделяющейся во влагоотделителе за турбодетандером. Схема на фиг.2 отличается от схемы на фиг.1 тем, что для охлаждения продуктов сгорания система выпуска оснащена контактно-поверхностным конденсатором, а для охлаждения наддувочного воздуха система впуска содержит поверхностный воздухоохладитель. На этой схеме поверхностный теплообменник за турбодетандером осуществляет охлаждение воды в холодной части аккумулятора продуктами сгорания. Поверхностные теплообменники в холодной части аккумулятора, подключенные к системам охлаждения и смазки, охлаждают теплоноситель системы охлаждения и масло. Парогенератор совместно с аккумулятором пара, электромеханическими запорными устройствами, насосом, регуляторами и трубопроводами обеспечивает подачу пара в камеры сгорания и турбину, а также поверхностный теплообменник аккумулятора топлива. На схеме, изображенной на фиг.3, реализованы варианты, в которых потребитель обеспечивается не только теплотой, но и холодом. На этой схеме также показана утилизация теплоты, выделяющейся при торможении транспортного средства. Схема на фиг.4 отличается от предыдущих трех схем, изображенных на фиг.1, 2 и 3, тем, что варианты данного изобретения на этой схеме оснащены для охлаждения продуктов сгорания поверхностным конденсатором, а наддувочного воздуха - контактно-поверхностным воздухоохладителем. Компрессор на этой схеме приводится двухступенчатой двухпоточной турбиной, в первую ступень которой подаются продукты сгорания из парогенератора, а во вторую ступень подводится пар из аккумулятора. Здесь электрогенератор приводится двухступенчатым двухпоточным турбодетандером. Теплоноситель в холодной части аккумулятора охлаждается не только холодными продуктами сгорания в поверхностном теплообменнике за турбодетандером, но и холодным наружным воздухом в контактно-поверхностном радиаторе, а также газом в поверхностном теплообменнике аккумулятора топлива при его дросселировании.
Устройство поршневого двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом включает поршневой двигатель 1 (фиг.1), выпускной коллектор которого совмещен с парогенератором 2, контактный конденсатор 3, турбодетандер 4 или винтовую расширительную машину, соединенный(ую) механической связью с электрогенератором 5, влагоотделитель 6 и выпускную трубу 7. Они соединены с поршневым двигателем 1 и между собой газопроводами 8, 9, 10 и 11. Вдоль впускной системы по ходу движения воздуха установлены воздухозаборник 12, воздушный фильтр 13, компрессор 14, контактный воздухоохладитель 15, подключенные к впускному коллектору 16 воздухопроводами 17, 18, 19 и 20. Это устройство еще оснащено горячей и холодной частями аккумулятора воды 21 и 22 соответственно, аккумулятором пара 23, турбиной 24 или винтовой расширительной машиной, соединенной механической связью с компрессором 14, а также микропроцессором управления подачами топлива и воды 25. Поддон влагоотделителя 6 подсоединен водопроводом 26 к холодной части аккумулятора воды 22, поддоны контактных конденсатора 3 и воздухоохладителя 15 подключены водопроводами 27 и 28 к горячей части аккумулятора воды 21. К водопроводу 27, сливающему горячую воду из поддона контактного конденсатора 3 в горячую часть аккумулятора воды 21, подсоединен баллон с аммиаком 29 газопроводом 30, на котором установлен регулятор показателя рН 31 горячей воды, сливаемой в эту часть аккумулятора. Распылители контактного конденсатора 3 соединены с холодной частью аккумулятора воды 22 водопроводами 32 и 33, на последнем из которых установлен регулятор температуры газов 34 за этим конденсатором. Распылители контактного воздухоохладителя 15 соединены с холодной частью аккумулятора воды 22 водопроводами 32 и 35, на последнем из которых расположен регулятор температуры воздуха 36 за этим воздухоохладителем. Водопроводы 32 и 37, отводящие холодную и горячую воду из аккумулятора воды, оснащены фильтрами 38 и 39 и насосами 40 и 41. Парогенератор 2 подсоединен к горячей части аккумулятора воды 21 водопроводами 37 и 42, на последнем из которых установлен регулятор температуры пара 43 в аккумуляторе 23. К этой части аккумулятора воды подключены еще распылители воды 44 в камерах сгорания подающими водопроводами 37 и 45, и распределительными водопроводами 46, через электромеханические запорные устройства 47, связанные электросвязями 48 с микропроцессором управления подачами топлива и воды 25. На подающем водопроводе 45 установлен регулятор давления воды 49 в распределительных водопроводах 46. Этот микропроцессор связан еще электросвязями 50, 51 и 52 с датчиками угла поворота коленчатого вала и максимальных температуры и давления сгорания соответственно. Парогенератор 2 подсоединен отводящим пар паропроводом 53 к аккумулятору пара 23, от которого отведен паропровод 54 к турбине 24, а от этой турбины проведен паропровод 55 к контактному конденсатору 3. На паропроводе 54 установлен регулятор коэффициента избытка воздуха 56.
Топливная система двигателя оснащена аккумулятором топлива 57 (фиг.2) и топливным баком 58 с установленными в них поверхностными теплообменниками 59 и 60. Теплообменник аккумулятора топлива 59 подключен подводящим паропроводом 61 к аккумулятору пара 23, на котором установлен регулятор температуры топлива 62. Отводящий паропровод 63 от этого теплообменника подключен к горячей части аккумулятора воды 21 паропроводами 64 и 65 при закрытых запорных устройствах 66 и 67 и открытом 68 или к теплообменнику 60 топливного бака 58 паропроводом 69 при закрытом запорном устройстве 68 и открытом 66. Теплообменник этого бака соединен паропроводом 65 с горячей частью аккумулятора воды 21 при открытом запорном устройстве 67 и закрытом 68. Распылители топлива и пара 69 соединены с аккумуляторами топлива и пара 57 и 23 подающими топливопроводом 70 и паропроводом 71 и распределительными топливопроводами 72 и паропроводами 73 через электромеханические запорные устройства 47, которые связаны электросвязями 74 и 75 с микропроцессором управления подачами топлива и воды 25. Для подачи топлива из топливного бака 58 в аккумулятор топлива 57 топливная система содержит насосы высокого и низкого давления 76 и 77, фильтры тонкой и грубой очистки 78 и 79, которые соединены между собой топливопроводами 80, 81, 82, 83 и 70, на последнем из которых установлен регулятор давления 84 в аккумуляторе топлива 57. Турбина 24 или винтовая расширительная машина соединена с аккумулятором пара 23 паропроводом 54, на котором расположен регулятор мощности этой турбины 85, соединенный электросвязью 86 с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя 87. Газопровод за парогенератором 8 соединен с воздухопроводом 17 перед фильтром 13 газопроводом 88, на котором расположен регулятор коэффициента избытка воздуха 56. Впускная система оснащена поверхностным воздухоохладителем 89, который соединен подводящим и отводящим водопроводами 90 и 91 с холодной частью аккумулятора воды 22. На этом подводящем водопроводе установлен циркуляционный насос 92. Эти водопроводы соединены байпасным водопроводом 93, на котором расположен регулятор максимальной температуры сгорания 94, соединенный электросвязью 95 с микропроцессором управления подачами топлива воды 25. Другой микропроцессор управления пуском, работой и остановкой двигателя 87 связан с датчиками содержания оксида углерода или сажи в продуктах сгорания и давления пара в аккумуляторе электросвязями 96 и 97 соответственно. Причем эти микропроцессоры соединены между собой тоже электросвязью. Система охлаждения двигателя 1 оснащена поверхностным теплообменником 98, установленным в холодной части аккумулятора воды 22. Он подключен к этой системе подающим и обратным водопроводами 99 и 100, которые соединены байпасным водопроводом 101. На этом водопроводе расположен регулятор температуры воды на выходе из двигателя 102, а на подающем водопроводе 99 установлен циркуляционный насос 103. Система смазки оснащена поверхностным теплообменником 104, установленным в холодной части аккумулятора воды 22. Он подключен к этой системе подающим и обратным маслопроводами 105 и 106, которые соединены байпасным маслопроводом 107. На этом маслопроводе расположен регулятор температуры масла на выходе из двигателя 108, а на подающем маслопроводе 105 установлен циркуляционный насос 109. Для охлаждения теплоносителя в холодной части аккумулятора воды 22 установлен поверхностный теплообменник 110 в выпускной системе за влагоотделителем 6 и соединен подающим и обратным теплопроводами 111 и 112 с холодной частью аккумулятора воды 22. Эти теплопроводы соединены байпасным теплопроводом 113, на котором расположен регулятор температуры теплоносителя 114 в холодной части аккумулятора воды 22. На подающем теплопроводе 111 расположен циркуляционный насос 115. Для снижения содержания оксидов азота в продуктах сгорания воздухопровод 20 за поверхностным воздухоохладителем 89 соединен с газопроводом 8 за парогенератором 2 воздухопроводом 116, на котором установлен регулятор содержания оксида азота в продуктах сгорания 117 за контактно-поверхностным конденсатором 118. Для снижения содержания оксидов серы в продуктах сгорания поддон контактно-поверхностного конденсатора 118 соединен с распылителями в газопроводе 8 за парогенератором 2 водопроводом 119, на котором установлен подающий насос 120 и регулятор содержания сернистого ангидрида в продуктах сгорания 121 за контактно-поверхностным конденсатором 118. Этот конденсатор соединен подводящими газопроводом 8 с парогенератором 2 и паропроводом 122 с турбиной 24 или винтовой расширительной машиной, а отводящим газопроводом 9 с турбодетандером 4 или винтовой расширительной машиной.
С целью обеспечения потребителя(ей) теплотой контактно-поверхностный конденсатор 118 (фиг.3) соединен подводящим и отводящим теплопроводами 123 и 124 с нагревательными (охладительными) приборами 125, водопроводом 33, подводящим воду в распылители из холодной части аккумулятора воды 22, а также водопроводом 27, отводящим конденсат в горячую часть аккумулятора воды 21. На подводящем водопроводе 33 установлен регулятор температуры газов 34 за этим конденсатором. К отводящему конденсат водопроводу 27 подключен баллон с аммиаком 29 газопроводом 30, на котором установлен регулятор рН 31 конденсата, сливаемого в горячую часть аккумулятора воды 21. Подводящий и отводящий теплопроводы 123 и 124 соединены байпасным теплопроводом 126, на котором расположен регулятор температуры воздуха или другой среды у потребителя. На этих теплопроводах расположены электромеханические запорные устройства 128 и 129, связанные электросвязями 130 и 131 с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя 87. На подводящем теплопроводе 123 установлен циркуляционный насос 132. С целью снабжения потребителя(ей) холодом охладительные (нагревательные) приборы 125 соединены подающим и обратным водопроводами 133 и 134 с холодной частью аккумулятора воды 22. На этих водопроводах установлены электромеханические запорные устройства 135 и 136, связанные электросвязями 137 и 138 с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя 87. Система охлаждения тормозных устройств 139 транспортного средства соединена с горячей частью аккумулятора воды 21 подающим и обратным теплопроводами 140 и 141. Эти теплопроводы соединены байпасным теплопроводом 142, на котором расположен регулятор температуры 143 теплоносителя, поступающего в эту часть аккумулятора. Циркуляционный насос этой системы 144 установлен на подающем теплопроводе 140.
С целью повышения эффективности превращения теплоты в работу двухступенчатая двухпоточная турбина 145 (фиг.4) подключена первой ступенью к парогенератору 2 подающим газопроводом 8, а второй ступенью к аккумулятору пара 23 подводящим паропроводом 146, на котором установлен регулятор минимально допустимого коэффициента избытка воздуха 147, соединенный электросвязью 148 с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя 87. Эта турбина еще соединена общим отводящим газопроводом 9 с поверхностным конденсатором 149 и механической связью с компрессором 14. Этот компрессор подключен воздухопроводом 19 к контактно-поверхностному воздухоохладителю 150, который не только охлаждает, но и увлажняет воздух, поступающий в двигатель. С целью повышения эффективности превращения энергии выпускных газов и пара в работу применен двухступенчатый двухпоточный турбодетандер 151, который подключен первой ступенью к поверхностному конденсатору 149 подающим газопроводом 9, а второй ступенью к аккумулятору пара 23 подводящим паропроводом 152, на котором установлен регулятор давления пара в аккумуляторе 153. Этот турбодетандер соединен еще общим отводящим газопроводом 10 с влагоотделителем 6, а механической связью с электрогенератором 5. С целью подачи воды или пара во впускные патрубки в начале впуска в двигателях с металлокерамическими деталями камеры сгорания распылители в этих патрубках 154 соединены с аккумулятором пара 23 подающим паропроводом 71 и распределительными 73, на которых установлены электромеханические запорные устройства 47, связанные электросвязями 75 с микропроцессором управления подачами топлива и воды 25. Для работы двигателя наземного транспортного средства в районах с очень жарким климатом (в тропиках), этот двигатель оснащен контактно-поверхностным радиатором 155, расположенным перед вентилятором 156. Распыливающее устройство этого радиатора 157 соединено с поддоном влагоотделителя 6 водопроводом 158, на котором установлен подающий насос 159 и регулятор температуры теплоносителя за этим радиатором 160. Для регулирования этой температуры содержится еще регулятор 161, подсоединенный к вентилятору 156. С целью аккумулирования холода в холодной части аккумулятора воды этот контактно-поверхностный радиатор, поверхностный теплообменник в холодной части аккумулятора воды 162, поверхностный теплообменник в выпускной системе за влагоотделителем 110, поверхностный конденсатор 149, контактно-поверхностный воздухоохладитель 150 соединены между собой подводящими и отводящими теплопроводами 163, 164, 165, 166 и 167 и образуют циркуляционный контур с водяным насосом 168, установленным на теплопроводе 164. Подводящие и отводящие теплопроводы теплообменных и тепломассообменных аппаратов 163 и 164, 164 и 165, 166 и 167 соединены байпасными теплопроводами 169, 170 и 171, на которых установлены регуляторы температуры циркулирующего теплоносителя 172, 173 и 174. Поддоны этих конденсатора и воздухоохладителя соединены сливными водопроводами 27 и 28 с горячей частью аккумулятора воды 21, а поддон влагоотделителя 6 подключен водопроводами 26 и 158 к распылителям контактно-поверхностного воздухоохладителя 150. С целью более стабильного обеспечения теплотой потребителя нагревательные (охладительные) приборы 125 соединены с поверхностным теплообменником в горячей части аккумулятора воды 175 подводящим и отводящим теплопроводами 123 и 124. При этом на подводящем теплопроводе 123 установлен циркуляционный насос 132 и регулятор температуры воздуха или другой среды 127 у потребителя. Для подачи газового топлива в камеры сгорания аккумулятор топлива 57 соединен подводящим топливопроводом 176 с емкостью для хранения этого топлива 177, а отводящим и распределительными топливопроводами 70 и 72 с распылителями 69. На этих распределительных топливопроводах установлены электромеханические запорные устройства 47, связанные электросвязями 74 с микропроцессором управления подачами топлива и воды 25. Для аккумулирования холода, возникающего при дросселировании газового топлива, аккумулятор топлива 57 оснащен поверхностным теплообменником 59, который соединен с поверхностным теплообменником 178 в холодной части аккумулятора воды 22 подводящим и отводящим теплопроводами 179 и 180. На подводящем теплопроводе 179 установлен циркуляционный насос 181 и регулятор температуры топлива в аккумуляторе 182. Для превращения сернистого ангидрида в серный газопровод 9 перед поверхностным конденсатором 149 соединен с газопроводом 8 за парогенератором 2 газопроводом 183, на котором установлен регулятор содержания сернистого ангидрида за этим конденсатором 121. С целью прогрева двигателя водой в холодный период года перед пуском горячая и холодная части аккумулятора воды 21 и 22 оборудованы электронагревателями 184 и 185. В случае нагрева паром содержится электронагреватель 186, установленный в аккумуляторе пара 23. Для предотвращения замерзания воды в устройствах двигателя в холодный период года паропроводы 71, 146, 61, 152 и 53 содержат электромеханические запорные устройства 187, 188, 189, 190 и 191, соединенные электросвязями 192, 193, 194, 195 и 196 с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя 87. Эти запорные устройства служат для подачи пара и ее прекращения в камеры сгорания, турбину, поверхностный теплообменник аккумулятора топлива, турбодетандер и парогенератор. Для подогрева двигателя паром при очень низких температурах наружного воздуха паропроводы 197 и 198, соединяющие горячую и холодную части аккумулятора воды с аккумулятором пара, оснащены электромеханическими запорными устройствами 199 и 200, соединенные электросвязями 201 и 202 с микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя 87. Объемы холодной и горячей частей аккумулятора воды 22 и 21 выбираются такими, чтобы количество содержащегося в них теплоносителя, нагретого до температуры кипения, хватило для нагрева двигателя перед пуском при самой низкой температуре наружного воздуха. Объем аккумулятора пара 23 выбирается таким, чтобы его хватило для накопления пароводяной смеси, нагретой до критического состояния (Ркр=22,1 МПа и Ткр=374,15°С) при максимальном избытке тепловой энергии.
Способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом осуществляют следующим образом. Продукты сгорания из двигателя 1 (фиг.1) выпускают в парогенератор 2, совмещенный с выпускным коллектором, где их охлаждают и подают по газопроводу 8 в контактный конденсатор 3, в котором их охлаждают ниже температуры точки росы и из них выделяют горячую воду. Из этого конденсатора газы направляют по газопроводу 9 в турбодетандер 4 или винтовую расширительную машину, где они расширяются, при этом еще больше охлаждаются и совершают работу, которая передается электрогенератору 5.
После этого турбодетандера продукты сгорания по газопроводу 10 поступают во влагоотделитель 6, а из него по газопроводу 11 через выпускную трубу 7 выбрасываются в атмосферу. В этом влагоотделителе отделяют холодную воду уже при более низкой температуре, чем в контактном конденсаторе и подают ее в холодную часть аккумулятора воды 22 по водопроводу 26. Для охлаждения продуктов сгорания в контактном конденсаторе 3 при повышенном давлении, воду из холодной части аккумулятора 22 подают по водопроводам 32 и 33 насосом 40 через фильтр 38 в распылители этого конденсатора, при этом регулируют температуру газов за этим конденсатором ниже температуры точки росы регулятором 34. Конденсат из поддона этого конденсатора сливают в горячую часть аккумулятора воды 21 по водопроводу 27. С целью снижения коррозии оборудования растворяют в воде проходящий по этому водопроводу аммиак, который подают по газопроводу 30 из баллона 29, при этом поддерживают показатель рН сливаемой воды более 7 регулятором 31. Воду из горячей части аккумулятора воды 21 подают по водопроводам подающим 37 и 45 и распределительным 46 в распылители воды 44 через электромеханические запорные устройства 47, связанные электросвязями с микропроцессором управления подачами топлива и воды 25. Регулируют давление воды в распределительных водопроводах 46 в допустимых пределах регулятором 49. Подачу воды в камеры сгорания производят с целью снижения максимальной температуры сгорания, уменьшения образования токсичных веществ и снижения диссоциации продуктов сгорания. При этом микропроцессор управления подачами топлива и воды 25 по электросвязи 51 получает сигнал о величине максимальной температуры сгорания и в соответствии с ней увеличивает или уменьшает подачу воды в камеры сгорания. Этот микропроцессор аналогично регулирует и максимальное давление сгорания изменением угла опережения спрыска или зажигания. Горячую воду подают насосом 41 еще на питание парогенератора 2 по водопроводам 37 и 42 через фильтр 39. Количество подаваемой воды регулируют регулятором 43 по температуре пара в аккумуляторе 23. Пар из этого аккумулятора направляют по паропроводу 54 в турбину 24 или винтовую расширительную машину, которая приводит компрессор 14. Отработанный пар из этой машины поступает по паропроводу 55 в контактно-поверхностный конденсатор 3, где конденсируется. Количество подаваемого пара в эту турбину или винтовую расширительную машину изменяют регулятором 56 по коэффициенту избытка воздуха в продуктах сгорания. Воздух для сжигания топлива очищается фильтром 13 и по воздухопроводам 17 и 18 поступает в компрессор 14, где сжимается и нагревается и затем поступает по воздухопроводу 19 в контактный воздухоохладитель 15. Здесь он охлаждается до допустимой температуры и увлажняется водой, которая подводится в распылители из холодной части аккумулятора воды 22 по водопроводам 32 и 25 под действием насоса 40, при этом регулятор температуры воздуха 36 регулирует температуру воздуха, поступающего в двигатель изменением количества распыливаемой воды в этом воздухоохладителе. Конденсат из этого воздухоохладителя сливается по водопроводу 28 в горячую часть аккумулятора воды 21.
Для более экономичной работы двигателя жидкое топливо подают из аккумулятора топлива 57 (фиг.2) в распылители 69 по подающему топливопроводу 70 и распределительным 72 через электромеханические запорные устройства 47, соединенные электросвязями 74 с микропроцессором управления подачами топлива и воды 25, при этом регулируют давление жидкого топлива в этом аккумуляторе регулятором 84 по содержанию или уменьшению содержания оксида углерода или сажи в продуктах сгорания, подогревают это топливо в топливном аккумуляторе 57 ниже температуры образования паровых пробок в топливной системе посредством поверхностного теплообменника 59 паром, поступающим из аккумулятора пара по паропроводу 61. Отводят пар из этого теплообменника по паропроводам 63, 64 и 65 в горячую часть аккумулятора воды 21 при открытом запорном устройстве 68 и закрытых 66 и 67. Регулируют температуру топлива регулятором 62 изменением количества подаваемого пара в поверхностный теплообменник 59. С целью предотвращения замерзания топлива в топливном баке 58 пар из указанного теплообменника направляют по паропроводам 63 и 69 в поверхностный теплообменник 60 в этом баке, а из него по паропроводу 65 в горячую часть аккумулятора воды 21 при открытых запорных устройствах 66 и 67 и закрытом 68. Воздух всасывают компрессором 14 через воздухозаборное устройство 12, движут по воздухопроводу 17, очищают воздушным фильтром 13 и подводят в компрессор 14, который повышает давление и температуру этого воздуха и подает по воздухопроводам 19 и 20 через поверхностный воздухоохладитель 89 во впускной коллектор 16. Наддувочный воздух охлаждают водой, циркулирующей через этот воздухоохладитель и холодную часть аккумулятора воды 22 по водопроводам 90 и 91 под действием насоса 92, при этом регулируют температуру охлаждаемого воздуха в допустимых пределах изменением количества протекающего теплоносителя через этот воздухоохладитель регулятором 94. С целью повышения эффективности превращения теплоты в работу подают воду по водопроводу 37 из горячей части аккумулятора 22 в парогенератор 2, где нагревают его до критических давления (22,1 МПа) и температуры (374,15°С) и подают по паропроводу 53 в аккумулятор пара 23. Подводят пар из этого аккумулятора в распылители 69 по паропроводу 71 и распределительным паропроводам 73 через электромеханические запорные устройства 47 по командам с микропроцессора управления подачами топлива и воды 25. При этом регулируют температуру пара в аккумуляторе, не превышающую критическую (374,15°С), изменением регулятором 43 количества подаваемой горячей воды в парогенератор 2, давление пара, не превышающее критическое (22,1 МПа), сбросом его в цилиндры при расширении газов через электромеханические запорные устройства 47 по команде с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя 87. Регулируют содержание оксида углерода в продуктах сгорания изменением количества подаваемого пара в камеры сгорания через электромеханические запорные устройства 47 по команде с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя 87, а также максимальную температуру сгорания в допустимых пределах изменением температуры наддувочного воздуха регулятором 94 по команде с микропроцессора управления подачами топлива и воды 25. Пар из аккумулятора пара 23 отводят еще в турбину 24 или винтовую расширительную машину по паропроводу 54. При этом регулируют мощность двигателя изменением регулятором 85 количества подаваемого пара по паропроводу 54 в турбину 24 или винтовую расширительную машину, приводящую компрессор, и количества топлива в камеры сгорания, соответствующего минимально допустимому коэффициенту избытка воздуха, по команде с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя 87. Для наиболее экономичной работы двигателя определяют минимально допустимый коэффициент избытка воздуха микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя по допустимому содержанию или уменьшению содержания оксида углерода в продуктах сгорания при сжигании легкого жидкого и газового топлив и по допустимому содержанию или уменьшению содержания сажи в продуктах сгорания при сжигании дизельного топлива. С целью повышения температуры газов перед парогенератором циркулируют продукты сгорания из газопровода 8 за парогенератором 2 по газопроводу 88 во впускной воздухопровод 17 системы впуска, при этом регулируют минимально допустимый коэффициент избытка воздуха регулятором 56 изменением количества проходящих газов по этому газопроводу. Для повышения эффективности системы охлаждения двигателя и уменьшения ее массы и размеров, теплоноситель системы охлаждения циркулируют по теплопроводам 99 и 100 через поверхностный теплообменник 98 в холодной части аккумулятора 22 под действием насоса 103, где его охлаждают холодной водой, при этом регулируют температуру этого теплоносителя на выходе из двигателя в допустимых пределах изменением регулятором 102 количества протекающего теплоносителя через этот теплообменник. С целью улучшения охлаждения масла и снижения размеров и массы системы смазки масло циркулируют по маслопроводам 105 и 106 через поверхностный теплообменник 104 в холодной части аккумулятора воды 22 под действием насоса 109, где его охлаждают холодной водой, при этом регулируют температуру этого масла на выходе из двигателя в допустимых пределах изменением регулятором 108 его количества, проходящего через этот теплообменник. Воду в холодной части аккумулятора воды 22 охлаждают циркулирующим теплоносителем по водопроводам 111 и 112 через эту часть аккумулятора воды и поверхностный теплообменник 110 в выпускной системе за влагоотделителем 6, при этом регулируют температуру воды в холодной части аккумулятора выше 0°С изменением регулятором 114 количества проходящего теплоносителя через этот теплообменник под действием насоса 115. Для конверсии оксида азота в диоксид кислородом воздуха при температуре ниже 140°С и абсорбции диоксида азота каплями и струями воды воздух из воздухопровода 20 за воздухоохладителем 89 направляют по воздухопроводу 116 в газопровод 8, расположенный за парогенератором 2. При этом регулируют количество направляемого воздуха регулятором 117 по допустимому содержанию или изменению содержания оксида азота в продуктах сгорания за контактно-поверхностным конденсатором 118. С целью конверсии сернистого ангидрида в серный при температуре ниже 450°С диоксидом азота, растворенным в конденсате, и его абсорбции каплями и струями воды при сжигании сернистого топлива, подают конденсат насосом 120 из контактно-поверхностного конденсатора 118 по водопроводу 119 в газопровод 8 за парогенератором 2, и где его распыливают, при этом регулируют количество подаваемого конденсата регулятором 121 по допустимому содержанию или изменению содержания сернистого ангидрида в продуктах сгорания за контактно-поверхностным конденсатором 118.
Для более эффективного охлаждения продуктов сгорания и конденсации из них влаги воду подают из холодной части аккумулятора 22 (фиг.3) в распылители контактно-поверхностного конденсатора 118 по водопроводу 33 насосом 40 через регулятор 34, а сливают образовавшийся конденсат в горячую часть аккумулятора воды 21 по водопроводу 27. При этом регулируют температуру за этим конденсатором ниже температуры точки росы изменением количества подаваемой воды регулятором 34 по водопроводу 33 в распылители этого конденсатора. С целью повышения показателя рН сливаемого конденсата в нем растворяют аммиак путем его подачи из баллона 29 в водопровод 27 по газопроводу 30 через регулятор 31. При этом регулируют показатель рН сливаемого конденсата выше 7 изменением расхода аммиака регулятором 31. Продукты сгорания еще охлаждают в контактно-поверхностном конденсаторе 118 теплоносителем, циркулирующим через его водяной тракт и нагревательные (охладительные) приборы 125 по теплопроводам 123 и 124 под действием насоса 132 при открытых электромеханических запорных устройствах 128 и 129 и закрытых 135 и 136, управляемых с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя 87 по электросвязям 130, 131 и 137 и 138 соответственно. При этом регулируют температуру воздуха или другой среды у потребителя изменением регулятором 127 количества циркулирующего теплоносителя через эти приборы. Для использования холода холодного теплоносителя у потребителя его циркулируют через охладительные (нагревательные) приборы 125 и холодную часть аккумулятора воды 22 по теплопроводам 133 и 134 под действием насоса 132 при открытых электромеханических запорных устройствах 135 и 136 и закрытых 128 и 129, управляемых с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя 87 по электросвязям 137 и 138 и 130 и 131 соответственно. Этот теплоноситель охлаждают в холодной части аккумулятора воды 22 смешиванием с водой. При этом регулируют температуру воздуха или другой среды у потребителя изменением регулятором 127 количества циркулирующего теплоносителя через эти приборы. С целью утилизации теплоты, выделяющейся при торможении транспортного средства, ее передают теплоносителю, движущемуся внутри тормозных устройств 139, а этот теплоноситель циркулируют по теплопроводам 140 и 141 через горячую часть аккумулятора воды 21 под действием насоса 144 при его температуре, превышающей температуру воды в этой части аккумулятора, в противном случае этот теплоноситель циркулируют в системе охлаждения тормозных устройств 139, минуя эту часть аккумулятора. При этом циркуляцию теплоносителя внутри тормозных устройств 139 или через горячую часть аккумулятора воды 21 осуществляют регулятором 143.
С целью повышения эффективности превращения теплоты в работу продукты сгорания из парогенератора 2 поступают в первую ступень двухступенчатой двухпоточной турбины 145 (фиг.4) по газопроводу 8, а во вторую ступень направляют пар из аккумулятора 23 по подводящему паропроводу 146. Отработанные продукты сгорания вместе с водяным паром отводят из двухступенчатой двухпоточной турбины 145 по общему газопроводу 9 в поверхностный конденсатор 149, где их охлаждают, а из образовавшейся смеси отделяют влагу, затем подают в горячую часть аккумулятора воды 21 по водопроводу 27. Эта турбина приводит компрессор 14, который подает воздух по воздухопроводу 19 через контактно-поверхностный воздухоохладитель 150 во впускной коллектор 16. При этом количество подаваемого воздуха определяют микропроцессором управления пуском, работой и остановкой двигателя 87 по минимально допустимому коэффициенту избытка воздуха, который регулируют изменением количества подаваемого пара в эту турбину регулятором 147. Значение этого коэффициента избытка воздуха находят для каждого двигателя индивидуально по минимальному содержанию или изменению содержания оксида углерода или сажи в продуктах сгорания. В воздухоохладителе 150 не только охлаждают, но и увлажняют воздух. Воду на распыливание подают в него из влагоотделителя 6 по водопроводам 26 и 158 под напором насоса 159, а сливают образовавшийся конденсат в горячую часть аккумулятора воды 21 по водопроводу 28. При этом регулируют температуру воздуха, поступающего в двигатель, в допустимых пределах изменением регулятором 36 количества подаваемой воды на распыливание в этот воздухоохладитель. С целью повышения эффективности превращения энергии выпускных газов и пара в работу продукты сгорания подают из поверхностного конденсатора 149 по газопроводу 9 в первую ступень двухступенчатого двухпоточного турбодетандера 151, а во вторую ступень направляют пар из аккумулятора 23 по паропроводу 152. Подают пар в эту ступень при его избытке в аккумуляторе пара 23 через регулятор давления пара 153 в этом аккумуляторе, отводят образовавшуюся смесь во влагоотделитель 6 по газопроводу 10. Приводит этот турбодетандер электрогенератор 5 через механическую связь. С целью повышения коэффициента наполнения и повышения топливной экономичности двигателей с металлокерамическими деталями камеры сгорания подают воду или пар из аккумулятора пара 23 в распылители 154 во впускных патрубках в начале впуска по подающему паропроводу 71 и распределительным 73 через электромеханические запорные устройства 47 по команде с микропроцессора управления подачами топлива и воды 25 по электросвязям 75. При этом регулируют максимальную температуру сгорания изменением количества подаваемой(ого) воды или пара в распылители 154 через электромеханические запорные устройства 47. Для работы двигателя наземного транспортного средства в районах с жарким климатом (в тропиках) подают холодную воду из поддона влагоотделителя 6 по водопроводу 158 в распыливающее устройство 157 контактно-поверхностного радиатора 155. В результате распыливания воды и благодаря ее испарению температура наружного воздуха перед этим радиатором снижается до величины разности температур между сухим и мокрым термометрами. При этом температуру теплоносителя на выходе из этого радиатора регулируют изменением количества подаваемой воды регулятором 160 в распыливающее устройство 157. При высоких температурах наружного воздуха подключают в работу вентилятор 156, частоту вращения которого изменяют регулятором 161 в зависимости от температуры теплоносителя, выходящего из контактно-поверхностного радиатора 155. Для аккумулирования холода теплоноситель из этого радиатора направляют в поверхностный теплообменник 162 в холодной части аккумулятора воды 22 по водопроводу 163, если его температура становится ниже температуры теплоносителя в этой части аккумулятора, в противном случае регулятор 172 пропускает его мимо этого теплообменника по байпасному теплопроводу 169. Далее этот теплоноситель направляют в поверхностный теплообменник 110, расположенный в выпускном тракте за влагоотделителем 6, по теплопроводу 164, если его температура превышает температуру уходящих газов, в противном случае регулятор 173 пропускает его мимо этого теплообменника по байпасному теплопроводу 170. Затем циркулирующий теплоноситель проходит через поверхностный конденсатор 149 по теплопроводам 165 и 166 в контактно-поверхностный воздухоохладитель 150, если его температура снижается ниже температуры наддувочного воздуха после компрессора, в противном случае регулятор 174 пропускает его мимо этого воздухоохладителя по байпасному теплопроводу 171. Из контактно-поверхностного воздухоохладителя 150 этот теплоноситель опять возвращается в контактно-поверхностный радиатор 155. Циркулируют его через эти теплообменные и тепломассообменные аппараты по теплопроводам под напором насоса 168. В данном случае в качестве циркулирующего теплоносителя и теплоносителя в холодной части аккумулятора воды может быть использована не только вода, но и другая жидкость с более низкой температурой замерзания. С целью использования холода, возникающего при дросселировании газового топлива при поступлении в аккумулятор топлива 57, циркулируют теплоноситель через поверхностные теплообменники в этом аккумуляторе и холодной части аккумулятора воды 59 и 178 по теплопроводам 179 и 180 под действием насоса 181. Этот теплоноситель, охлаждаясь газом в аккумуляторе топлива, охлаждает теплоноситель в холодной части аккумулятора воды. При этом регулируют его температуру в аккумуляторе топлива регулятором 182 изменением количества циркулирующего теплоносителя через эти поверхностные теплообменники. Для более стабильного обеспечения теплотой потребителя циркулируют теплоноситель через нагревательные (охладительные) приборы 125 и поверхностный теплообменник в горячей части аккумулятора воды 175 по теплопроводам 123 и 124 под действием насоса 132. При этом регулируют температуру воздуха или другой среды у потребителя изменением регулятором 127 количества проходящего теплоносителя через эти приборы. С целью снижения содержания сернистого ангидрида в продуктах сгорания при сжигании сернистого топлива нитрозный газ подают из газопровода 9 перед поверхностным конденсатором 149 в газопровод 8 за парогенератором 2 по газопроводу 183 для конверсии сернистого ангидрида в серный при температуре ниже 450°С и его абсорбции каплями и струями воды в этом конденсаторе, при этом регулируют количество подаваемого нитрозного газа регулятором 121 по содержанию и изменению содержания сернистого ангидрида за этим конденсатором.
Для регулирования содержания в продуктах сгорания оксидов азота и оксида углерода при сжигании легкого жидкого и газового топлив, а также сажи, оксидов азота и серы при сжигании дизельного топлива изменяют давление газов в контактном конденсаторе 3 (фиг.1) или в контактно-поверхностном конденсаторе 118 (фиг.2) или в поверхностном конденсаторе 149 (фиг.4) путем дросселирования газов в турбодетандере 4 (фиг.1 и 2) или двухступенчатом двухпоточном турбодетандере 151 (фиг.4) или винтовой расширительной машине.
С целью прогрева двигателя транспортного средства водой в холодный период года перед пуском теплоносители в горячей и холодной частях аккумулятора воды 21 и 22 (фиг.4) нагревают электронагревателями 184 и 185 до кипения и циркулируют периодически масло и теплоносители в системах смазки и охлаждения прокручиванием двигателя до его прогрева. При установке транспортного средства на длительную стоянку в холодный период года воду в аккумуляторе пара 23 нагревают до критического состояния продуктами сгорания или электронагревателем 186 от сети. После чего, электромеханические запорные устройства 187, 188, 189, 190 и 191 закрывают по команде с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя 87 и прекращают подачу пара в цилиндры двигателя 1, в двухступенчатую двухпоточную турбину 145 или одноступенчатую турбину 24 (фиг.2), в поверхностный теплообменник аккумулятора топлива 59 (фиг.2) и двухступенчатый двухпоточный турбодетандер 151 (фиг.4). Сливают воду из горячей и холодной частей аккумулятора воды 21 и 22. Для прогрева двигателя перед пуском открывают электромеханические запорные устройства 189, 199 и 200 и подают пар в поверхностный теплообменник 59 аккумулятора топлива 57 (фиг.2), а также в горячую и холодную части аккумулятора воды 21 и 22 (фиг.4). При этом периодическим прокручиванием коленчатого вала и работой насосов 103, 109, 132 и 168 прогревают теплоноситель системы охлаждения, масло, топливо, воздух и электролит в системах двигателя. После пуска двигателя электромеханические запорные устройства 199 и 200 закрывают, а открывают 187, 188, 189, 190 и 191 по команде с микропроцессора управления пуском, работой и остановкой двигателя 87.
Преимущества разработанного способа и устройства поршневого двигателя с газопаровым рабочим телом по сравнению с аналогами и прототипом заключаются в следующем: возрастание мощности и коэффициента полезного действия двигателя не менее чем 1,5 раза благодаря более значительному снижению потерь теплоты с выпускными газами и через системы двигателя в окружающую среду, утилизации теплоты, выделяющейся при торможении транспортного средства, и более эффективному превращению низкопотенциальной теплоты в работу в цилиндрах двигателя и расширительных машинах; улучшение топливной экономичности не только на номинальном режиме, но и на частичных нагрузках в результате регулирования максимальной температуры сгорания, снижения коэффициента избытка воздуха до минимально допустимого значения при подаче горячей воды или пара в камеры сгорания и использования холода наружного воздуха и уходящих продуктов сгорания, а также аккумулирования теплоты и холода в различных частях аккумулятора воды; снижение размеров и массы парогенератора и конденсатора благодаря повышению давления, а следовательно, и плотности газов в этих аппаратах за счет применения одноступенчатых или двухступенчатых двухпоточных турбины и турбодетандера, позволяющих осуществить качественный процесс газообмена без потерь на это эффективной мощности двигателя; более значительное уменьшение содержания оксидов углерода и азота в продуктах сгорания при сжигании легкого жидкого и газового топлив, и оксидов серы, азота и углерода, а также сажи при сжигании дизельного топлива в результате увеличения абсорбции этих газов и твердых частиц каплями и струями воды в конденсаторе при повышенном давлении продуктов сгорания и конверсии оксидов азота и углерода в диоксиды и диоксида серы в триоксид; увеличение надежности двигателя благодаря регулированию максимальных температур и давления сгорания, а также температур и давлений теплоносителей, топлива, воздуха и показателя рН конденсата; обеспечение потребителей теплотой, холодом, электроэнергией и синтетической водой в необходимом количестве и нужного качества; уменьшение затрат энергии на прогрев двигателя перед пуском, а также снижение трудоемкости и времени осуществления пуска.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, и предназначено для использования в стационарных теплоэнергетических и транспортных установках. Оно позволяет повысить мощность, топливную экономичность и надёжность установки, снизить вредные выбросы двигателя внутреннего сгорания в атмосферу.
Изобретение включает поршневой двигатель внутреннего сгорания, конденсатор, устройство охлаждения продуктов сгорания, распылители воды, установленные во впускной системе и подключенные к емкости с водой водопроводами через регулятор расхода и водяной насос. Вдоль выпускной системы последовательно по ходу движения газов расположены парогенератор, совмещенный с выпускным коллектором, контактный конденсатор, турбодетандер или винтовая расширительная машина, соединенные механической связью с электрогенератором и влагоотделителем. Вдоль впускной системы последовательно по ходу движения воздуха расположены воздушный фильтр, компрессор, контактный воздухоохладитель и впускной коллектор. При этом поддон влагоотделителя подключен водопроводом к холодной части аккумулятора воды, поддоны контактных конденсатора и воздухоохладителя соединены водопроводами с горячей частью аккумулятора воды, парогенератор подключен подводящим водопроводом к горячей части аккумулятора воды и отводящим паропроводом к аккумулятору пара, от которого отведены паропроводы к турбине или винтовой расширительной машине, соединенной механической связью с компрессором. 2 н. и 51 з.п. ф-лы, 4 ил.
| СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 1996 |
|
RU2126896C1 |
| СПОСОБ ВЫПЛАВКИ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ | 2009 |
|
RU2398888C1 |
| Шлакообразующая смесь для обработки жидкого металла | 1984 |
|
SU1191473A1 |
| EP 0298164 A1, 11.01.1989 | |||
| DE 3116624 A1, 04.11.1982. | |||
