СПОСОБ РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО КОМБИНИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ГАЗОПАРОВЫМ РАБОЧИМ ТЕЛОМ Российский патент 2004 года по МПК F02G5/04 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в транспортных поршневых двигателях внутреннего сгорания с наддувом, сжигающих газовое, легкое жидкое и дизельное топлива.

Известно устройство двигателя внутреннего сгорания (А.с. 1188350 СССР кл. F 02 В 37/00 и F 02 G 5/00, 1985), которое включает поршневой двигатель внутреннего сгорания, компрессор и парогазовую турбину, соединенные механическими связями с коленчатым валом этого поршневого двигателя. Смешивание образующегося пара в рубашке охлаждения поршневого двигателя с продуктами сгорания осуществляется в смесителе, который соединен газопроводом с газопаровой турбиной. Для повышения температуры пара предусмотрено размещение выпускного газопровода в рубашке охлаждения.

Недостатками этой конструкции являются потребность в чистой воде и снижение надежности двигателя из-за образования пара в его рубашке охлаждения.

Известен способ работы комбинированного двигателя, в котором силовая турбина передает свою мощность поршневому двигателю через механическую или гидродинамическую передачу при нагрузках, превышающих 50% от номинальной (Маслов В.В. Утилизация теплоты судовых дизелей. - М.: Транспорт, 1990. - с.104). При этом в этой турбине может срабатывать от 5 до 30% энергии выпускных газов.

Недостатком способа работы этого комбинированного двигателя является усложнение его конструкции при небольшом улучшении расхода топлива на высоких нагрузках (2,4% на номинальном режиме), а на малых нагрузках необходимость отключения силовой турбины от поршневого двигателя, чтобы не повышать расхода топлива из-за увеличения механических потерь.

Наиболее близким к заявленному устройству комбинированного двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом по технической сущности и достигаемому результату является установка (А.с. СССР 1668714 А1 кл. F 02 В 37/00, F 02 G 5/00, 1991), выбранная в качестве прототипа.

Эта силовая установка содержит поршневой двигатель внутреннего сгорания, соединенный газовой связью с турбокомпрессором. После турбокомпрессора по ходу движения выпускных газов установлена газовая турбина, которая через редуктор соединена с валом отбора мощности поршневого двигателя. Парогенератор установлен в выпускном газопроводе за этой газовой турбиной перед нагнетателем продуктов сгорания и подключен к паровой турбине, которая соединена механической связью с этим нагнетателем. Паровая турбина соединена с конденсатором пара, охлаждаемого вентилятором. Для подачи из него конденсата в парогенератор имеется питательный насос, который соединен механической связью с паровой турбиной.

Основными недостатками этого прототипа является наличие двух рабочих тел, из-за чего установка оказалась сложной, больших размеров и массы.

Наиболее близким к заявленному способу работы комбинированного двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом по технической сущности и достигаемому результату является способ работы комбинированного двигателя (Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Изд.2-е. Коллектив авторов. М., Машиностроение, 1970, с.34).

В этом двигателе мощность расширительной машины, в которой срабатывают выпускные газы, передается через механическую передачу поршневому двигателю и компрессору. Если мощность расширительной машины меньше мощности, потребной для достижения заданного давления наддува поршневого двигателя, то недостающая мощность отбирается у поршневого двигателя. В противном случае избыточная мощность расширительной машины передается на вал, с которого снимается мощность. В конструкции этого двигателя возможна передача мощности компрессору от поршневого двигателя и расширительной машины через гидромуфту. В этом случае производится регулирование давления наддува в зависимости от режима работы двигателя.

Основным недостатком этого прототипа является недостаточное использование энергии выпускных газов на всех режимах работы поршневого двигателя.

Технический результат - значительное повышение топливной экономичности и существенное снижение вредных выбросов в атмосферу на всех режимах работы, значительное увеличение мощности двигателя без снижения его надежности и повышения уровня шума, улучшение устойчивости работы и уменьшение удельной массы двигателя, выработка теплоты, холода и электрической энергии, а также ускорение пуска двигателя.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений достигается тем, что в способе работы комбинированного двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом, включающем передачу мощности расширительной машины поршневому двигателю, а поршневого двигателя компрессору через механическую передачу или гидромуфту, особенностью является то, что:

- пар подают в турбину из аккумулятора пара при величине его давления (P₁), превышающей значение, при котором возможен надежный пуск этого двигателя этой турбиной, пар получают в парогенераторе подачей воды из аккумулятора горячей воды в экономайзер, а из него в испаритель, пар перегревают в пароперегревателе, накапливают в аккумуляторе направлением его из пароперегревателя;

- подачу пара в турбину прекращают при превышении его давления в аккумуляторе (Р₂) выше значения, при котором становится более эффективно использовать пар в цилиндрах, а подают его в цилиндры после воспламенения или зажигания топлива, если давление пара в аккумуляторе продолжает повышаться, то увеличивают продолжительность его подачи в эти цилиндры, при уменьшении давления пара в этом аккумуляторе сначала прекращают его подачу в цилиндры, а потом в турбину при достижении соответствующих давлений Р₂ и Р₁;

- продукты сгорания направляют из цилиндров поршневого двигателя последовательно вдоль выпускного тракта в парогенератор, испаритель, экономайзер, нагнетатель выпускных газов, контактный конденсатор, детандер, влагоотделитель и поверхностный теплообменник, при этом нанетатель выпускных газов приводят поршневым двигателем через механическую или гидродинамическую связь, подают воду по водопроводу из аккумулятора холодной воды в распылители контактного конденсатора для охлаждения выпускных газов, регулируют температуру этих газов за этим конденсатором регулятором ниже температуры конденсации водяных паров изменением количества подаваемой холодной воды в этот конденсатор, сливают конденсат из контактного конденсатора в аккумулятор горячей воды;

- выпускные газы охлаждают после контактного конденсатора в детандере в результате их расширения, отделяют образовавшиеся капли воды в этих газах во влагоотделителе, а конденсат сливают в аккумулятор холодной воды, охлаждают воду в этом аккумуляторе благодаря циркуляции теплоносителя по водопроводам через поверхностные теплообменники в этом аккумуляторе и выпускном газопроводе, который отдает теплоту холодным продуктам сгорания;

- величину давления газов создают в контактном конденсаторе нагнетателем выпускных газов по температуре горячей воды в аккумуляторе, близкой к температуре кипения, при этом если эта температура снижается ниже допустимого значения, то этот нагнетатель повышает давление газов, а если она повышается, то снижает ее;

- теплоноситель системы охлаждения циркулируют по водопроводам через рубашку охлаждения, потребитель теплоты и поверхностный теплообменник в аккумуляторе горячей воды насосом, при этом ограничивают максимальную температуру этого теплоносителя на выходе из двигателя уменьшением температуры конденсата, поступающего в этот аккумулятор из конденсатора;

- масло циркулируют по маслопроводам через систему смазки и поверхностный теплообменник в аккумуляторе горячей воды насосом, при этом ограничивают максимальную температуру этого масла на выходе из двигателя уменьшением температуры конденсата, поступающего в этот аккумулятор из конденсатора;

- воздух подают компрессором в цилиндры поршневого двигателя через контактно-поверхностный воздухоохладитель, при этом подводят воду из аккумулятора холодной воды в водяной тракт этого воздухоохладителя, а отводят ее в аккумулятор горячей воды по водопроводам под действием насоса, регулируют температуру воздуха, поступающего в поршневой двигатель, изменением количества проходящей воды через этот воздухоохладитель, подают воду из аккумулятора горячей воды в распылители этого контактно-поверхностного воздухоохладителя по водопроводу под действием насоса, регулируют максимальную температуру газов в цилиндрах или в выпускном коллекторе, совмещенном с парогенератором, ниже допустимого значения изменением количества распыливаемой воды в этом конденсаторе;

- коэффициент избытка воздуха в цилиндрах поддерживают близким к единице изменением соотношения между количествами подаваемых топлива и воздуха в цилиндры, а также регулированием постоянного отношения давления наддувочного воздуха к противодавлению выпускных газов, путем изменения нагрузки детандера, соединенного с электрогенератором;

- поршневой двигатель прогревают перед пуском в холодный период года, для этого его периодически прокручивают расширительной машиной, куда подают пар из аккумулятора по паропроводу через электромагнитное запорное устройство, управляемое с пульта управления, при этом начинают работать насосы, которые циркулируют по трубопроводам охлаждающий теплоноситель и масло через поршневой двигатель и соответствующие теплообменники в аккумуляторе горячей воды;

- комбинированный двигатель пускают его прокручиванием расширительной машиной через механическую или гидродинамическую связь, при этом подают пар в эту расширительную машину из аккумулятора пара по паропроводу через электромагнитное запорное устройство, управляемое с пульта управления;

- компрессор приводят детандером через механическую или гидродинамическую связь, а количество подаваемого им воздуха в воздухоохладитель регулируют с пульта управления изменением его частоты вращения;

- количество подаваемой воды из аккумулятора горячей воды в экономайзер по водопроводу регулируют по температуре воды на выходе из этого экономайзера или пара, поступающего в аккумулятор;

- электронагревателями воду нагревают в аккумуляторе горячей воды до температуры кипения, а в аккумуляторе пара до повышения давления пара, необходимого для осуществления надежного пуска комбинированного двигателя после длительной стоянки.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений достигается тем, что в устройстве комбинированного двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом, содержащем поршневой двигатель внутреннего сгорания, соединенный механической передачей с расширительной машиной, парогенератор, расположенный в выпускном газопроводе между турбиной и нагнетателем выпускных газов, а также конденсатор, особенностью является то, что:

- расширительная машина соединена с аккумулятором пара подводящим паропроводом, на котором установлено электромагнитное запорное устройство, соединенное электросвязью с пультом управления, а отводящим паропроводом - со впускным патрубком нагнетателя выпускных газов, парогенератор содержит экономайзер, испаритель и пароперегреватель, соединенные трубопроводами, при этом экономайзер соединен с аккумулятором горячей воды водопроводом, на котором установлен насос и регулятор температуры воды за экономайзером или пара за пароперегревателем, а пароперегреватель подключен к аккумулятору пара паропроводом, конденсатор соединен с аккумулятором холодной воды подводящим водопроводом, на котором установлен насос, потребитель холода и регулятор температуры газов за этим конденсатором, а также с аккумулятором горячей воды сливным водопроводом;

- компрессор соединен механическими или гидродинамическими связями с поршневым двигателем и насосом, при этом гидродинамические связи связаны электросвязями с пультом управления;

- компрессор подключен воздухопроводом к впускному коллектору поршневого двигателя через контактно-поверхностный воздухоохладитель, водяной тракт которого соединен с аккумулятором холодной воды подводящим водопроводом, а отводящим водопроводом - с трубопроводом горячей воды, распылители этого воздухоохладителя подсоединены к трубопроводу горячей воды подающим водопроводом, при этом на подводящем водопроводе установлен регулятор температуры воздуха, поступающего в двигатель, а на подающем водопроводе - регулятор максимальной температуры газов в цилиндрах или в выпускном коллекторе;

- аккумулятор пара соединен с цилиндрами паропроводами, на которых установлены электромагнитные запорные устройства, связанные с пультом управления электросвязями для управления подачей пара;

- за парогенератором, совмещенным с выпускным коллектором и газопроводом, расположены вдоль выпускного тракта по ходу движения газов нагнетатель выпускных газов, конденсатор, детандер, влагоотделитель и поверхностный теплообменник, соединенные газопроводами, при этом детандер соединен одним концом вала с электрогенератором через механическую или гидродинамическую связь, а другим концом вала - с насосом через механическую связь, влагоотделитель подключен сливным водопроводом к аккумулятору холодной воды, а поверхностный теплообменник в выпускном газопроводе и поверхностный теплообменник в аккумуляторе холодной воды соединены водопроводами, на одном из которых расположен насос для циркуляции теплоносителя по этим водопроводам через эти теплообменники;

- аккумулятор горячей и холодной воды соединены переливным трубопроводом, аккумулятор горячей воды оснащен сливным патрубком, а также этот аккумулятор и аккумулятор пара содержат электронагреватели для нагревания теплоносителей;

- размеры аккумуляторов горячей воды и пара рассчитываются по тепловой мощности, необходимой для прогрева поршневого двигателя и осуществления надежного его пуска, размеры аккумулятора холодной воды определяются конструктивно размещением в нем поверхностного теплообменника, необходимого для охлаждения в нем воды;

- рубашка охлаждения поршневого двигателя соединена с поверхностным теплообменником в горячей части аккумулятора воды водопроводами, на которых установлены потребитель теплоты и насос, соединенный с валом расширительной машины;

- система смазки подключена к поверхностному теплообменнику в аккумуляторе горячей воды маслопроводами, на одном из которых установлен масляный насос для циркуляции масла по этим маслопроводам через систему смазки и этот поверхностный теплообменник;

- пульт управления связан электросвязями с гидродинамическими связями, соединяющими поршневой двигатель с нагнетательными и расширительной машинами, датчиками уровня воды в аккумуляторах горячей и холодной воды, датчиками температуры и давления газов за конденсатором, датчиками давления воздуха и газов во впускном и выпускном коллекторах соответственно, датчиком коэффициента избытка воздуха в цилиндрах, а также электромагнитными запорными устройствами, управляющими подачами топлива и пара в камеры сгорания и пара в расширительную машину;

- компрессор соединен механическими или гидродинамическими связями с детандером и насосом.

На чертеже показаны способ работы и устройство комбинированного двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом, в котором нагнетательные и расширительные машины соединены механической или гидродинамической связями не только для улучшения работы этого двигателя на больших нагрузках, но и на малых, а также повышения приемистости и устойчивости его работы.

Устройство комбинированного двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом состоит из поршневого двигателя внутреннего сгорания 1 и расширительной машины 2, которые соединены механической или гидродинамической связью 3. Расширительная машина 2 подключена к аккумулятору пара 4 подводящим паропроводом 5, на котором установлено электромагнитное запорное устройство 6, связанное пультом управления 7 электрической связью 8. Для отвода пара эта машина соединена отводящим паропроводом 9 со всасывающим газопроводом 10 нагнетателя выпускных газов 11. Аккумулятор пара 4 соединен еще паропроводами 12 и 13 с форсунками 14 всех цилиндров, в которые подается пар и топливо. На паропроводах 13 установлены электромагнитные запорные устройства 15, которые соединены электросвязями 16 с пультом управления 7. Аккумулятор пара 4 подключен к пароперегревателю 17 паропроводом 18, а этот пароперегреватель соединен с испарителем 19, который связан с экономайзером 20 водопроводом 21. Экономайзер 20 также соединен с испарителем 19 и нагнетателем выпускных газов 11 газопроводами 27 и 10. Этот нагнетатель одним концом вала соединен с поршневым двигателем 1 через механическую или гидродинамическую связь 29, а другим концом - с насосом 24 тоже через гидродинамическую связь 30. Гидродинамические связи 29 и 30 соединены с пультом управления 7 электросвязями 31 и 32 для регулирования нагрузок насоса 24 и нагнетателя выпускных газов 11, который соединен газопроводом с детандером 33 через контактный конденсатор 34, подключенный к аккумулятору холодной воды 35 через насос 36 и потребитель холода 37 водопроводом 38, на котором установлен регулятор температуры газов 39 за конденсатором 34. Этот конденсатор подключен к аккумулятору горячей воды 22 сливным водопроводом 40. Детандер 33 соединен механической связью с насосом 41, а гидродинамической связью 42 - с электрогенератором 43, который подключен электросвязью 44 к пульту управления 7 для регулирования его нагрузки. Влагоотделитель 45 расположен за детандером 33 и соединен с ним и поверхностным теплообменником 46 газопроводами 47 и 48, а с аккумулятором холодной воды 35 - сливным водопроводом 49. Этот теплообменник подключен к поверхностному теплообменнику 50, расположенному в аккумуляторе холодной воды 35, водопроводами 51 и 52, на последнем из которых установлен водяной насос 41. Компрессор 53 одним концом вала соединен с двигателем 1, а другим концом - с водяным насосом холодной воды 36 гидродинамическими связями 54 и 55, которые управляются пультом управления 7 посредством электросвязей 56 и 57 соответственно. Между впускным коллектором поршневого двигателя и компрессором 53 установлен контактно-поверхностный воздухоохладитель 58, который соединен с ними воздухопроводами 59 и 60. Кроме этого, он подключен к водопроводу холодной воды 38 подводящим водопроводом 61, на котором установлен регулятор температуры воздуха 62, поступающего во впускной коллектор 63, а отводящим водопроводом 28 соединен с водопроводом горячей воды 23. Распылители 64 этого воздухоохладителя соединены с водопроводом горячей воды 23 водопроводом 65, на котором установлен регулятор температуры газов 66 в выпускном коллекторе. Для охлаждения и подогрева теплоносителя системы охлаждения поршневого двигателя 1 рубашка охлаждения подключена к поверхностному теплообменнику 67 в аккумуляторе горячей воды 22 водопроводами 68 и 69. На водопроводе 68 установлен водяной насос 70, соединенный механической связью с расширительной машиной 2, потребитель теплоты 71, а также датчик температуры 72 теплоносителя, подключенный к пульту управления 7 электросвязью 73. Для охлаждения и прогрева масла система смазки поршневого двигателя подключена к поверхностному теплообменнику 74 в аккумуляторе горячей воды 22 маслопроводами 75 и 76. На маслопроводе 75 установлен масляный насос 77. Топливо к форсункам 14 подводится из аккумулятора топлива 78 по топливопроводам 79, на которых установлены электромагнитные запорные устройства 80, связанные электрической связью 81 с пультом управления 7. Аккумуляторы холодной 35 и горячей 22 воды соединены переливным трубопроводом 82, а аккумулятор горячей воды 22 содержит сливной патрубок 83. Для управления работой двигателя пульт управления 7 связан с датчиками коэффициента избытка воздуха 84 электросвязью 85, с датчиком давления газов в выпускном коллекторе 86 электросвязью 87, с датчиками уровня воды в аккумуляторах горячей и холодной воды 88 и 89 электросвязями 90 и 91 соответственно, с датчиком температуры газов 92 за конденсатором электросвязью 93, а также с датчиками температуры и давления воздуха 94 и 95 во впускном коллекторе электросвязями 96 и 97 соответственно. Аккумуляторы пара 4 и горячей воды 22 оснащены электрическими подогревателями 98 и 99 для осуществления подогрева комбинированного двигателя после длительной стоянки. Размеры аккумуляторов горячей воды 22 и пара 4 зависят тепловой мощности, необходимой для подогрева двигателя и осуществления надежного его пуска. Размеры аккумулятора холодной воды 35 определяются чисто конструктивно размещением в нем поверхностного теплообменника 50. Для более удобного размещения компрессор 53 может приводиться не от поршневого двигателя 1, а от детандера 33 через механическую или гидродинамическую связь, соединенную электросвязью с пультом управления.

Применение гидродинамических муфт для соединения расширительной и нагнетательных машин с поршневым двигателем позволит расположить и в удобном положении и на свободном месте и приводить их от одного конца вала этого двигателя. Для улучшения транспортных характеристик комбинированного двигателя, а также уменьшения его размеров и массы в качестве нагнетательных и расширительных машин могут быть использованы винтовые машины, как наиболее надежные и стойкие против каплеударных нагрузок.

Способ работы комбинированного двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом осуществляют следующим образом. Поршневой двигатель 1 перед пуском прогревают в холодный период года. Для этого его прокручивают расширительной машиной 2, куда подают пар из аккумулятора 4 через электромагнитное запорное устройство 6 по подводящему паропроводу 5 и сигналу с пульта управления 7. При этом начинают работать насосы водяной 70 и масляный 77, а насосы 24 и 36 отключаются пультом управления 7. Вода и масло под действием этих насосов циркулируют через поверхностные теплообменники 67 и 74 аккумулятора горячей воды 22 и прогревают поршневой двигатель 1. В целях экономии пара расширительную машину 2 пускают периодически через определенный промежуток времени до полного прогрева поршневого двигателя 1. После пуска комбинированного двигателя устанавливают с пульта управления 7 требуемую нагрузку подачей воздуха и топлива в цилиндры, при этом коэффициент избытка воздуха в цилиндрах поддерживают близким к единице изменением соотношения между количествами подаваемых топлива и воздуха, а также регулированием постоянного отношения давления наддувочного воздуха к противодавлению выпускных газов, путем изменения нагрузки детандера 33, соединенного с электрогенератором 43. Давление газов в конденсаторе 34 устанавливают по требуемой температуре конденсации водяных паров нагнетателем выпускных газов 11. Требуемая температура конденсации водяных паров на всех режимах работы должна быть такой, чтобы в аккумуляторе горячей воды 22 вода имела температуру, близкую к температуре кипения при атмосферном давлении. На средних и высоких нагрузках теплота будет передаваться горячей воде от масла и охлаждающей жидкости в теплообменниках 74 и 67 соответственно, исключая переохлаждение двигателя. Охлаждение продуктов сгорания до требуемой температуры конденсации водяных паров производят в контактном конденсаторе 34 путем подачи холодной воды из аккумулятора 35 по водопроводу 38 насосом 36 в распылители. При этом регулируют количество подаваемой воды регулятором 39 по температуре газов за контактным конденсатором 34. Образовавшийся конденсат в этом конденсаторе сливают в аккумулятор горячей воды 22 по водопроводу 40. За этим конденсатором газы расширяют и охлаждают в детандере 33, выделившиеся при этом капли из продуктов сгорания далее отделяют во влагоотделителе 45, а образовавшийся конденсат сливают по водопроводу 49 в аккумулятор холодной воды 35. Вода в аккумуляторе холодной воды 35 охлаждается благодаря циркуляции теплоносителя по водопроводам 51 и 52 через поверхностные теплообменники 46 и 50, расположенные в этом аккумуляторе и в выпускном газопроводе за влагоотделителем 45 соответственно. Нагретый в компрессоре 53 воздух при сжатии охлаждают в контактно-поверхностном воздухоохладителе 58 водой, поступающей из аккумулятора холодной воды 35 под действием насоса холодной воды 36 по водопроводу 61. Отводят воду из этого воздухоохладителя по водопроводу 28 во всасывающий патрубок насоса горячей воды 24. При этом регулируют температуру воздуха за контактно-поверхностным воздухоохладителем 58 в допустимых пределах изменением количества проходящей воды через этот воздухоохладитель регуляторам температуры воздуха 62. Увлажняют воздух в контактно-поверхностном воздухоохладителе 58 подачей воды в распылители 64 насосом 24 по водопроводу 65 из аккумулятора горячей воды 22, при этом регулируют максимальную температуру газов в выпускном коллекторе ниже максимально-допустимого значения изменением количества подаваемой воды в распылители 64 регулятором температуры газов 66. Для получения пара с необходимыми качественными показателями воду из аккумулятора горячей воды 22 по водопроводу 23 насосом 24 подают в экономайзер 20 парогенератора при повышении ее температуры выше минимально-допустимой, которую регулируют изменением скорости проходящей воды через экономайзер 20 регулятором температуры горячей воды 25. Нагретая вода в этом экономайзере поступает в испаритель 19 по водопроводу 21, а из него образовавшийся пар направляется в пароперегреватель 17, а затем по водопроводу 18 в аккумулятор пара 4. При достижении в нем требуемого давления пара P₁, необходимого для осуществления надежного пуска, открывается электромагнитное запорное устройство 6 и пропускает пар в расширительную машину 2, которая начинает работать и передавать свою мощность поршневому двигателю 1. По мере увеличения нагрузки комбинированного двигателя давление пара в аккумуляторе 4 начинает повышаться, а когда оно достигает величины Р₂, при которой становится выгодным его подавать в цилиндры для получения наибольшей работы, открываются электромагнитные запорные устройства 15 по сигналам с пульта управления 7 после зажигания или воспламенения рабочей смеси в цилиндрах и пропускают пар по паропроводам 12 и 13 через форсунки 14 во все работающие цилиндры. При этом электромагнитное запорное устройство 6, пропускающее пар в расширительную машину, закрывается. В результате совершается дополнительная работа в поршневом двигателе 1. Если давление пара в аккумуляторе 4 продолжает расти, то увеличивают продолжительность открытия электромагнитных запорных устройств 15, если это давление начинает падать, то их продолжительность открытия сокращается до нуля при достижении давления Р₂. Эти электромагнитные запорные устройства закрываются, а открывается электромагнитное запорное устройство 6 и пропускает пар в расширительную машину 2, которая опять начинает работать и передавать свой крутящий момент поршневому двигателю 1. Если и далее снижается давление в паровом аккумуляторе 4 до Р₁, то закрывается и этот электромагнитный клапан, прекращая подачу пара в расширительную машину 2, при этом в аккумуляторе пара сохраняется это давление и остается количество пара, необходимое для осуществления надежного пуска двигателя. При пуске двигателя после длительной его стоянки вода в аккумуляторе горячей воды 22 нагревается до температуры кипения 100°С электронагревателем 99, а в аккумуляторе пара 4 генерируется пар электронагревателем 98 до повышения в нем давления до P₁. При переполнении водой аккумулятора горячей воды она сливается через трубу 83 на землю или в канализацию.

Преимущества разработанного способа работы и устройства комбинированного двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом по сравнению с аналогами и прототипами заключаются в следующем:

- повышении топливной экономичности двигателя не менее чем в 1,5 раза в результате уменьшения непроизводительных потерь теплоты до нуля с продуктами сгорания, теплоносителем системы охлаждения и маслом, превращении низкопотенциальной теплоты в работу, улучшения процессов смесеобразования и сгорания на холостом ходу и малых нагрузках, снижении механических потерь на этих режимах, уменьшении коэффициента избытка воздуха до 1 на всех режимах работы, а также благодаря экономии топлива на отопление, кондиционирование, прогрев и пуск двигателя в холодное время года;

- снижении вредных выбросов в атмосферу до нуля в результате уменьшения их образования при сжигании топлива в камере сгорания, абсорбции их в конденсаторе и во влагоотделителе, а также конденсации углеводородов за турбодетандером при более глубоком охлаждении продуктов сгорания;

- увеличении мощности комбинированного двигателя не менее чем в два раза без снижения его надежности и повышения уровня шума благодаря предложенной схеме комбинированного двигателя, позволяющей увеличить давление наддува и частоту вращения коленчатого вала при коэффициенте избытка воздуха, близком к единице, и без регулирования фаз газораспределения, а также сохранение при этом максимальных температуры и давления газов в камере сгорания;

- уменьшении удельной массы комбинированного двигателя почти в два раза в результате значительного увеличения его мощности и небольшого повышения массы;

- улучшении устойчивости работы комбинированного двигателя (увеличении коэффициента приспособляемости и уменьшении скоростного коэффициента) из-за гидродинамической связи расширительной машины и компрессора с поршневым двигателем;

- снижении трудоемкости эксплуатации транспортных средств из-за приспособленности их двигателей к эксплуатации зимой в районах с суровым холодным климатом;

- повышении комфорта в кабинах и салонах транспортных средств благодаря их обеспечению необходимыми количествами теплоты и холода требуемого качества.

Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет повысить топливную экономичность и мощность двигателя, снизить выбросы токсичных веществ в атмосферу и повысить устойчивость работы на всех режимах. Устройство комбинированного двигателя состоит из поршневого двигателя, соединенного механической или гидродинамической связью с расширительной машиной, куда подается пар из аккумулятора пара. Пар генерируется в парогенераторе благодаря утилизации теплоты продуктов сгорания, охлаждающей жидкости и масла и накапливается в аккумуляторе пара. Вода для подачи ее в парогенератор выделяется из продуктов сгорания в конденсаторе благодаря их охлаждению холодной водой и повышению в нем давления нагнетателем выпускных газов, который приводится поршневым двигателем через механическую или гидродинамическую связь, связанную электросвязью с пультом управления. Охлажденные и сжатые продукты сгорания в конденсаторе срабатывают в детандере, который приводит электрогенератор через механическую или гидродинамическую связь, связанную с пультом управления. Отделяются капли воды во влагоотделителе из продуктов сгорания благодаря их охлаждению в детандере в результате расширения. Образовавшийся конденсат в конденсаторе и влагоотделителе собирается в аккумуляторах горячей и холодной воды соответственно. Охлаждающую жидкость и масло нагревают и охлаждают водой в аккумуляторе горячей воды в зависимости от их температуры. Воздух в поршневой двигатель подается через контактно-поверхностный воздухоохладитель компрессором, который соединен с поршневым двигателем или детандером через механическую или гидродинамическую связь, соединенную электросвязью с пультом управления. Пульт управления осуществляет прогрев, пуск, управление работой двигателя, а также регулирование коэффициента избытка воздуха, близкого к единице, температуру конденсации водяных паров в конденсаторе, максимальную температуру газов в цилиндрах, температуру воздуха, поступающего в поршневой двигатель, и др. параметры. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы комбинированного двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом, включающий передачу мощности расширительной машины поршневому двигателю, а поршневого двигателя компрессору через механическую передачу или гидромуфту, отличающийся тем, что пар подводят в расширительную машину из аккумулятора пара при величине его давления (P₁), превышающего значение, при котором возможен надежный пуск двигателя этой расширительной машиной, пар получают в парогенераторе подачей воды из аккумулятора горячей воды в экономайзер, а из него в испаритель, пар перегревают в пароперегревателе, накапливают его в аккумуляторе направлением его из пароперегревателя.2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу пара в расширительную машину прекращают при превышении его давления в аккумуляторе (Р₂) выше значения, при котором становится более эффективно его использовать в цилиндрах, а подают пар в цилиндры после воспламенения или зажигания топлива, если давление пара в аккумуляторе продолжает повышаться, то увеличивают продолжительность его подачи в эти цилиндры, при уменьшении давления пара в этом аккумуляторе сначала прекращают его подачу в цилиндры, а потом в расширительную машину при достижении соответствующих давлений Р₂ и P₁.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что продукты сгорания направляют из цилиндров поршневого двигателя последовательно вдоль выпускного тракта в пароперегреватель, испаритель, экономайзер, нагнетатель выпускных газов, контактный конденсатор, детандер, влагоотделитель и поверхностный теплообменник, при этом нагнетатель выпускных газов приводят поршневым двигателем через механическую или гидродинамическую связь, подают воду по водопроводу из аккумулятора холодной воды в распылители контактного конденсатора для охлаждения выпускных газов, регулируют температуру этих газов за этим конденсатором регулятором ниже температуры конденсации водяных паров изменением количества подаваемой холодной воды в этот конденсатор, сливают конденсат из контактного конденсатора в аккумулятор горячей воды.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что выпускные газы охлаждают после контактного конденсатора в детандере в результате их расширения, отделяют образовавшиеся капли воды в этих газах во влагоотделителе, а конденсат сливают в аккумулятор холодной воды, охлаждают воду в этом аккумуляторе благодаря циркуляции теплоносителя по водопроводам через поверхностные теплообменники в этом аккумуляторе и выпускном газопроводе, который отдает теплоту холодным продуктам сгорания.5. Способ по п.3, отличающийся тем, что величину давления создают в контактном конденсаторе нагнетателем выпускных газов по температуре горячей воды в аккумуляторе, близкой к температуре кипения, при этом, если эта температура снижается ниже допустимого значения, то этот нагнетатель повышает давление газов, а если она повышается, то снижает ее.6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что теплоноситель системы охлаждения циркулируют по водопроводам через рубашку охлаждения, потребитель теплоты и поверхностный теплообменник в аккумуляторе горячей воды насосом, при этом ограничивают максимальную температуру этого теплоносителя на выходе из двигателя уменьшением температуры конденсата, поступающего в этот аккумулятор из конденсатора.7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что масло циркулируют по маслопроводу через систему смазки и поверхностный теплообменник в аккумуляторе горячей воды насосом, при этом ограничивают максимальную температуру этого масла на выходе из двигателя уменьшением температуры конденсата, поступающего в этот аккумулятор из конденсатора.8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что воздух подают компрессором в цилиндры поршневого двигателя через контактно-поверхностный воздухоохладитель, при этом подводят воду из аккумулятора холодной воды в водяной тракт этого воздухоохладителя, а отводят ее в аккумулятор горячей воды по водопроводам под действием насоса, регулируют температуру воздуха, поступающего в поршневой двигатель, изменением количества проходящей воды через этот воздухоохладитель, подают воду из аккумулятора горячей воды в распылители этого контактно-поверхностного воздухоохладителя по водопроводу под действием насоса, регулируют максимальную температуру газов в цилиндрах или выпускном коллекторе, совмещенном с парогенератором, ниже допустимого значения изменением количества распыливаемой воды в этом конденсаторе.9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что коэффициент избытка воздуха поддерживают в цилиндрах близким к единице изменением соотношения между количествами подаваемых топлива и воздуха в цилиндрах, а также регулированием постоянного отношения давления наддувочного воздуха к противодавлению выпускных газов, путем изменения нагрузки детандера, соединенного с электрогенератором.10. Способ по любому из пп.1–9, отличающийся тем, что поршневой двигатель прогревают перед пуском в холодный период года, для этого его периодически прокручивают расширительной машиной, куда подают пар из аккумулятора по паропроводу через электромагнитное запорное устройство, управляемое с пульта управления, при этом начинают работать насосы, которые циркулируют по трубопроводам охлаждающий теплоноситель и масло через поршневой двигатель и соответствующие теплообменники в аккумуляторе горячей воды.11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что комбинированный двигатель пускают его прокручиванием расширительной машиной через механическую или гидродинамическую связь, при этом подают пар в эту расширительную машину из аккумулятора пара по паропроводу через электромагнитное запорное устройство, управляемое с пульта управления.12. Способ по п.1, отличающийся тем, что компрессор приводят детандером через механическую или гидродинамическую связь, а количество подаваемого им воздуха в воздухоохладитель регулируют с пульта управления изменением его частоты вращения.13. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество подаваемой воды из аккумулятора горячей воды в экономайзер по водопроводу регулируют по температуре воды на выходе из этого экономайзера или пара, поступающего в аккумулятор.14. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что электронагревателями нагревают воду в аккумуляторе горячей воды до температуры кипения, а в аккумуляторе пара до повышения давления пара, необходимого для осуществления надежного пуска комбинированного двигателя после длительной стоянки.15. Устройство комбинированного двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом, содержащее поршневой двигатель внутреннего сгорания, соединенный механической передачей с расширительной машиной, парогенератор, расположенный в выпускном газопроводе между турбиной и нагнетателем выпускных газов, а также конденсатор, отличающееся тем, что расширительная машина соединена с аккумулятором пара подводящим паропроводом, на котором установлено электромагнитное запорное устройство, соединенное электросвязью с пультом управления, а отводящим паропроводом со впускным патрубком нагнетателя выпускных газов, парогенератор содержит экономайзер, испаритель и пароперегреватель, соединенные трубопроводами, при этом экономайзер соединен с аккумулятором горячей воды водопроводом, на котором установлены насос и регулятор температуры воды за экономайзером или пара за пароперегревателем, а пароперегреватель подключен к аккумулятору пара паропроводом, конденсатор соединен с аккумулятором холодной воды подводящим водопроводом, на котором установлен насос, потребитель холода и регулятор температуры газов за этим конденсатором, а также с аккумулятором горячей воды сливным водопроводом.16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что расширительная машина одним концом вала соединена механической связью с насосом, а другим концом с поршневым двигателем через механическую или гидродинамическую связь, нагнетатель выпускных газов соединен через механическую или гидродинамическую связь одним концом вала с насосом, а другим концом с поршневым двигателем, при этом гидродинамические связи связаны электросвязью с пультом управления.17. Устройство по п.15 или 16, отличающееся тем, что компрессор соединен механическими или гидродинамическими связями с поршневым двигателем и насосом, при этом гидродинамические связи связаны электросвязями с пультом управления.18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что компрессор подключен воздухопроводом к впускному коллектору поршневого двигателя через контактно-поверхностный воздухоохладитель, водяной тракт которого соединен с аккумулятором холодной воды подводящим водопроводом, а отводящим водопроводом с трубопроводом горячей воды, распылители этого воздухоохладителя подсоединены к трубопроводу горячей воды подающим водопроводом, при этом на подводящем водопроводе установлен регулятор температуры воздуха, поступающего в двигатель, а на подающем водопроводе регулятор максимальной температуры газов в цилиндрах или в выпускном коллекторе.19. Устройство по любому из пп.15–18, отличающееся тем, что аккумулятор пара соединен с цилиндрами паропроводами, на которых установлены электромагнитные запорные устройства, связанные с пультом управления электросвязями для управления подачей пара.20. Устройство по любому из пп.15–19, отличающееся тем, что за парогенератором, совмещенным с выпускными коллектором и газопроводом, расположены вдоль выпускного тракта по ходу движения газов нагнетатель выпускных газов, конденсатор, детандер, влагоотделитель и поверхностный теплообменник, соединенные газопроводами, при этом детандер соединен одним концом вала с электрогенератором через механическую или гидродинамическую связь, а другим концом вала с насосом через механическую связь, влагоотделитель подключен сливным водопроводом к аккумулятору холодной воды, а поверхностный теплообменник в выпускном газопроводе и поверхностный теплообменник в аккумуляторе холодной воды соединены водопроводами, на одном из которых расположен насос для циркуляции теплоносителя по этим водопроводам через эти теплообменники.21. Устройство по любому из пп.15–20, отличающееся тем, что аккумуляторы горячей и холодной воды соединены переливным трубопроводом, аккумулятор горячей воды оснащен сливным патрубком, а также этот аккумулятор и аккумулятор пара содержат электронагреватели для нагревания теплоносителей.22. Устройство по любому из пп.15–21, отличающееся тем, что размеры аккумуляторов горячей воды и пара рассчитываются по тепловой мощности, необходимой для подогрева поршневого двигателя и осуществления надежного пуска, размеры аккумулятора холодной воды определяются конструктивно размещением в нем поверхностного теплообменника, необходимого для охлаждения в нем воды.23. Устройство по любому из пп.15–22, отличающееся тем, что рубашка охлаждения поршневого двигателя соединена с поверхностным теплообменником в горячей части аккумулятора воды водопроводами, на которых установлены потребитель теплоты и насос, соединенный с валом расширительной машины.24. Устройство по любому из пп.15–23, отличающееся тем, что система смазки подключена к поверхностному теплообменнику в аккумуляторе горячей воды маслопроводами, на одном из которых установлен масляный насос для циркуляции масла по этим маслопроводам через систему смазки и этот поверхностный теплообменник.25. Устройство по любому из пп.15–24, отличающееся тем, что пульт управления связан электросвязями с гидродинамическими связями, соединяющими поршневой двигатель с нагнетательными и расширительной машинами, датчиками уровня воды в аккумуляторах горячей и холодной воды, датчиками температуры и давления газов за конденсатором, датчиками давления воздуха и газов во впускном и выпускном коллекторах соответственно, датчиком коэффициента избытка воздуха в цилиндрах, а также электромагнитными запорными устройствами, управляющими подачами топлива и пара в камеры сгорания и пара в расширительную машину.26. Устройство по п.16, отличающееся тем, что компрессор соединен механическими или гидродинамическими связями с детандером и насосом.