ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2012 года по МПК F02B33/00 F02B29/04 F02B75/02 F02M31/04 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно тепловым двигателям, преимущественно двигателям внутреннего сгорания и способам работы тепловых двигателей.

Известен тепловой двигатель в виде двигателя внутреннего сгорания, содержащего расширительную машину поршневого типа (Большой Энциклопедический словарь, политехнический, науч. изд. «Большая Российская энциклопедия», М., 1998, стр.141-142).

Известен тепловой двигатель в виде двигателя внутреннего сгорания газотурбинного типа, рабочий процесс которого происходит в воздушном компрессоре, камере сгорания и расширительной машине - газовой турбине (Большой Энциклопедический словарь, политехнический, науч. изд. «Большая Российская энциклопедия», М., 1998, стр.141-142).

Указанные двигателя подразделяются по роду сжигаемого топлива на газовые двигатели, работающие на газообразном топливе; двигатели, работающие на легком жидком топливе - бензине, керосине, лигроине; двигатели, работающие на тяжелом жидком топливе - дизельном и др. Кроме того, указанные двигатели подразделяют по способу подачи свежего заряда воздуха на двигатели без наддува и двигатели с наддувам, а также по способу подготовки топливовоздушной среды на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий расширительную машину с камерой сгорания, клапанами впуска воздуха и выпуска отработавших газов, компрессор для сжатия воздуха до давления наддува, выполненный многоступенчатым с межступенчатым охлаждением для сжатия воздуха до давления, равного рабочему, в камере сгорания, а также регенеративные теплообменники -рекуператоры для подогрева сжатого воздуха и топлива, привод компрессора и систему отбора выработанной в двигателе преобразованной в механическую энергии (RU 2246625 С2, 27.12.2003).

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий многоступенчатое сжатие воздуха, подаваемого в расширительную машину двигателя, с промежуточным охлаждением между ступенями сжатия и регенеративным подогревом теплотой отработавших газов в рекуператорах, обеспечивающих утилизацию теплоты продуктов сгорания - отработавших газов (RU 2246625 С2, 27.12.2003).

Известен способ работы теплового двигателя с многоступенчатым сжатием воздуха, подаваемого в расширительную машину, и промежуточным охлаждением его между ступенями сжатия (USA, 4333424, 08.06.1982).

Известен тепловой двигатель с воздушным охлаждением камер сгорания расширительной машины (GB, 766703, 13.07.1954).

Известен способ работы теплового двигателя, содержащего расширительную машину с камерами сгорания, предусматривающий утилизацию теплоты продуктов сгорания - выхлопных газов (DE, 3130667 А1, 03.08.1981).

Недостатком известных двигателей и способов их работы является невысокая эффективная мощность и коэффициент полезного действия вследствие отсутствия или невысокого использования теплоты, вырабатываемой с расширительной машине двигателя и теряемой с выхлопными газами, а также через стенки камер сгорания.

Задача настоящего изобретения заключается в повышении эффективной мощности теплового двигателя и коэффициента полезного действия работы двигателя.

Поставленная задача в части теплового двигателя решается за счет того, что тепловой двигатель, согласно изобретению, содержит расширительную машину с устройствами для реализации термодинамического цикла работы двигателя и систему охлаждения, сообщенные с расширительной машиной систему подготовки компонентов рабочего тела - содержащей окислитель газовой смеси, обычно, воздуха, а также топлива и систему приготовления газотопливной композиции рабочего тела, системы и устройства охлаждения и рекуперации, а также систему отбора мощности, при этом система подготовки одного из упомянутых компонентов, а именно содержащей окислитель газовой смеси, включает последовательно сообщенные каналом в направлении движения упомянутого компонента: компрессор, имеющий заборное устройство и не менее двух связанных участком упомянутого канала устройств ступенчатого компримирования смеси, а расширительная машина имеет, по меньшей мере, одну камеру сгорания со смесительной предкамерой и рабочей зоной с ограждениями, снабженными системой охлаждения, а также поршнем, в свою очередь, кинематически связанным с системой отбора мощности с возможностью передачи к ней выработанной в расширительной машине механической энергии, причем, по меньшей мере, один участок канала, связывающий два смежных устройства компримирования смеси, снабжен охлаждающим устройством системы охлаждения компрессора, кроме того, по меньшей мере, один из упомянутых участков канала смонтирован с возможностью подключения к нему до и/или после упомянутого охлаждающего устройства компрессора дополнительного канала для промежуточного отбора компримируемой газовой смеси и подачи последней в систему охлаждения расширительной машины, а наиболее удаленное от заборного устройство компримирования смеси сообщено по упомянутой компримированной газовой смеси с системой приготовления газотопливной композиции рабочего тела в расширительной машине, по меньшей мере, через один рекуператор, при этом каждый рекуператор имеет теплообменный контур для подогрева упомянутой газовой смеси, с возможностью регулирования сообщенный с каналом подачи в него горячих выхлопных газов, и, по крайней мере, один рекуператор выполнен с возможностью дополнительной регенерации и возврата в камеру сгорания теплоты, утилизируемой из системы охлаждения расширительной машины.

При этом компрессор для подготовки, содержащий окислитель газовой смеси, может быть выполнен, по меньшей мере, трехступенчатым, а устройства компримирования смеси выполнены в виде оснащенных поршнями цилиндров с ограждениями и сообщены между собой и с расширительной машиной участками канала для подачи в последнюю компримированной смеси, при этом участки канала, попарно сообщающие смежные цилиндры компрессора, снабжены охлаждающими устройствами и, кроме того, ограждения цилиндров выполнены охлаждаемыми от системы охлаждения компрессора.

Наиболее удаленный от заборного устройства цилиндр компрессора может быть сообщен на выходе через ресивер и рекуператор с предкамерой каждой из камер сгорания расширительной машины, а рекуператор запитан с выходным каналом камеры или камер сгорания с возможностью подачи в него продуктов сгорания для подогрева упомянутой подаваемой в расширительную машину компримированной газовой смеси.

Система рекуперации может включать не менее двух рекуператоров, закоммутированных с возможностью регулируемой подачи в них горячих продуктов сгорания - выхлопных газов с последующим отводом продуктов сгорания во внешнюю среду.

Канал с компримированной газовой смесью в компрессоре на одном из участков между цилиндрами, преимущественно, после второго цилиндра может быть сообщен дополнительным каналом с системой охлаждения ограждений камеры или камер сгорания и подключен к указанной системе на входе, а последняя на выходе сообщена, по меньшей мере, с одним из рекуператоров двигателя с возможностью двойной утилизации - теплоты продуктов сгорания и теплоты охлаждения камеры сгорания, причем упомянутый рекуператор, в свою очередь, одним из выходов сообщен с рабочей зоной камеры сгорания с возможностью подачи в последнюю промежуточно компримированной газовой смеси, подогретой в системе охлаждения камеры и в рекуператоре.

Тепловой двигатель может быть снабжен, по меньшей мере, двумя компрессорами, один из которых закоммутирован по каналу подачи охлаждаемой в процессе компримирования газовой смеси, обычно воздуха, с камерой сгорания расширительной машины через ресивер и рекуператор, обогреваемый продуктами сгорания, а другой компрессор выполнен для реализации автономного вторичного цикла подготовки упомянутой газовой смеси, снабжен не менее чем двумя устройствами компримирования, преимущественно цилиндрами с поршнями и системой охлаждения в виде, по меньшей мере, двух охлаждающих устройств, смонтированных на канале подачи упомянутой смеси после выхода канала из каждого, но менее чем из двух последовательно сообщенных цилиндров, снабженных также системой охлаждения ограждений, при этом второй компрессор сообщен напрямую с системой охлаждения камеры или камер сгорания.

Предкамера камеры сгорания может быть сообщена также с каналом подачи в нее под давлением топлива, например сжатого природного газа.

Канал подачи, содержащий окислитель газовой смеси, обычно воздуха, может быть снабжен на входе не менее чем одним фильтром для очистки от загрязнений, содержащихся в подаваемом в компрессор указанном компоненте топливно-газовой смеси.

Поставленная задача в части способа работы теплового двигателя решается за счет того, что в способе, согласно изобретению, выполняют операции подготовки и частотного воспроизводства термодинамического цикла сжигания состоящей из компонентов топливногазовой смеси, преобразования полученной тепловой энергии в механическую и передачи ее потребителю двигателем, содержащим расширительную машину не менее чем с одной имеющей смесительную предкамеру камерой сгорания с рабочей зоной с ограждениями, снабженными системой охлаждения, при этом компримирование компонента - содержащей окислитель газовой смеси, обычно воздуха, по меньшей мере, частично осуществляют до подачи последнего в камеру сгорания, в процессе компримирования подвергают охлаждению, а после компримирования догреву с использованием теплоты продуктов сгорания - выхлопных газов и теплоты охлаждения ограждений камеры или камер сгорания, для чего двигатель снабжают системой рекуперации упомянутых видов уходящей теплоты и через последнюю соединяют с имеющим систему охлаждения компримируемого компонента компрессором, посредством которого упомянутый компримированный компонент с разделением потоков подают соответственно в предкамеру и непосредственно в рабочую зону камеры сгорания.

При этом операции подготовки компонента газовой смеси, содержащей окислитель, обычно воздуха, могут включать забор указанного компонента из внешней среды путем всасывания в компрессор и подвергают компримированию в первой ступени, затем начально сжатый компонент подают во вторую ступень компримирования, до подачи в которую подвергают промежуточному охлаждении в канале, связывающем указанные ступени и/или через охлаждающую систему ограждений первой ступени компримирования, после чего компонент поступает во вторую ступень компримирования, и после дополнительного сжатия в указанной ступени его подают в третью ступень также с дополнительным охлаждением вторым охлаждающим устройством канала и в охлаждающей системе ограждений второй ступени, при этом после второй ступени производят разделение потоков компримируемого компонента, для этого в основной канал подачи указанного компонента соединяют не менее чем с одним дополнительным каналом на участке до и/или после второго охлаждающего устройства основного канала и подают часть суммарно компримированного в двух предыдущих ступенях компонента в систему охлаждения ограждений камеры или камер сгорания, а другую часть компримированного компонента после упомянутого дополнительного охлаждения подают в следующую ступень компримирования в компрессоре и после дополнительного сжатия подают из компрессора для подогрева, по меньшей мере, в один рекуператор системы рекуперации двигателя, обогреваемый теплотой продуктов сгорания - выхлопных газов.

Часть компримируемого компонента, поступившую после разделения потоков компонента в третью ступень и затем из компрессора в рекуператор, после подогрева последней теплотой продуктов сгорания могут подавать в смесительную предкамеру камеры сгорания расширительной машины, а вторую часть потока указанного компонента, подведенную к системе охлаждения камеры или камер сгорания, пропускают через последнюю и подогретую теплотой охлаждения камеры подают в другой рекуператор или другую группу рекуператоров и подвергают дополнительному догреву теплотой продуктов сгорания с возможностью регулирования частично забранной системы отвода отработанных выхлопных газов, поступающих из камеры сгорания, и после двойного подогрева указанный поток компонента отдельным каналом подают в рабочую зону камеры сгорания.

Частотно воспроизводимый не менее чем в одной камере сгорания расширительный машины термодинамический цикл сжигания топливногазовой смеси, преобразование полученной тепловой энергии в механическую и передача ее потребителю может включать два взаимосвязанных цикла - основной и вторичный, при этом в основном цикле процесс сжатия осуществляют трехступенчато с промежуточным охлаждением, сжимая на первой ступени до величины Р₁ определяемой отношением

P₁=(P_к-P_н)^1/3±20%,

где P₁ - давление в компоненте после первой ступени компримирования, Р_н - начальное давление компонента, Р_к - конечное давления компонента; на второй ступени повышают давление до величины Р₂

Р₂=(Р_к-Р_н)^2/3±20%,

где Р₂ - давление в компоненте после первой ступени компримирования, Р_н - начальное давление компонента, Р_к - конечное давления компонента.

Во вторичном цикле общую степень сжатия компонента могут создавать в 2-6 раз ниже, чем в основном.

Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, заключается в повышении эффективной мощности двигателя и повышении коэффициента полезного действия за счет рекуперативного введения в работу двигателя теплоты продуктов сгорания - выхлопных газов, в том числе с включением в указанный процесс теплоты охлаждения камер сгорания расширительной машины теплового двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 представлено общее устройство теплового двигателя с расширительной машиной, рекуператорами и многоступенчатым компрессором основного цикла;

на фиг.2 - то же, с дополнительным компрессором вторичного цикла,

на фиг.3 - принципиальная схема работы предлагаемого теплового двигателя;

на фиг.4 - термодинамические циклы основной и вторичной работы предлагаемого двигателя.

Тепловой двигатель содержит расширительную машину 1 с устройствами для реализации термодинамического цикла работы двигателя и сообщенные с расширительной машиной 1 систему подготовки компонентов рабочего тела, содержащей окислитель газовой смеси, обычно воздуха, а также топлива и систему приготовления газотопливной композиции рабочего тела, системы и устройства охлаждения и рекуперации, а также систему отбора мощности.

Система подготовки одного из упомянутых компонентов, а именно содержащей окислитель газовой смеси, включает последовательно сообщенные каналом 2 в направлении движения упомянутого компонента компрессор 3, имеющий заборное устройство 4 и не менее двух связанных участком упомянутого канала устройств 5, 6, 7 ступенчатого компримирования смеси.

Расширительная машина 1 имеет, по меньшей мере, одну камеру сгорания 8 со смесительной предкамерой 9 и рабочей зоной с ограждениями 10, снабженными системой 11 охлаждения, а также поршнем 12, в свою очередь кинематически связанным с системой 13 отбора мощности с возможностью передачи к ней выработанной в расширительной машине 1 механической энергии. По меньшей мере, один участок канала 2, связывающий два смежных устройства 5 и 6, 6 и 7 компримирования смеси, снабжен охлаждающим устройством 14 системы охлаждения компрессора. По меньшей мере, один из упомянутых участков канала 2 смонтирован с возможностью подключения к нему до и/или после упомянутого охлаждающего устройства 14 компрессора 3 дополнительного канала 15 для промежуточного отбора компримируемой газовой смеси и подачи последней в систему 11 охлаждения расширительной машины 1.

Наиболее удаленное от заборного устройства 4 устройство 7 компримирования смеси сообщено по упомянутой компримированной газовой смеси с системой приготовления газотопливной композиции рабочего тела в расширительной машине 1, по меньшей мере, через один рекуператор 16 и 17. Каждый рекуператор 16, 17 имеет теплообменный контур для подогрева упомянутой газовой смеси, с возможностью регулирования сообщенный с каналом 18 подачи в него горячих выхлопных газов и, по крайней мере, один рекуператор 17 выполнен с возможностью дополнительной регенерации и возврата в камеру сгорания 8 теплоты, утилизируемой из системы 11 охлаждения расширительной машины 1.

Компрессор 3 для подготовки содержащей окислитель газовой смеси выполнен, по меньшей мере, трехступенчатым, а устройства 5, 6, 7 компримирования смеси выполнены в виде оснащенных поршнями 19 цилиндров с ограждениями 20 и сообщены между собой и с расширительной машиной 1 участками канала 2 для подачи в последнюю компримированной смеси. Участки канала 2, попарно сообщающие смежные цилиндры компрессора, снабжены охлаждающими устройствами 14 и, кроме того, ограждения 20 цилиндров выполнены охлаждаемыми от системы охлаждения компрессора 3.

Наиболее удаленный от заборного устройства 4 цилиндр компрессора 3 сообщен на выходе через ресивер 21 и рекуператор 16 с предкамерой 9 каждой из камер 8 сгорания расширительной машины 1. Рекуператор 16 запитан с выходным каналом камеры 8 или камер сгорания с возможностью подачи в него продуктов сгорания для подогрева упомянутой подаваемой в расширительную машину компримированной газовой смеси.

Система рекуперации включает не менее двух рекуператоров 16, 17, закоммутированных с возможностью регулируемой подачи в них горячих продуктов сгорания - выхлопных газов с последующим отводом продуктов сгорания во внешнюю среду.

Канал 2 с компримированной газовой смесью в компрессоре 3 на одном из участков между смежными устройствами компримирования, преимущественно после второго устройства 6, сообщен дополнительным каналом 15 с системой 11 охлаждения ограждений камеры 8 или камер сгорания и подключен к указанной системе на входе, а последняя на выходе сообщена, по меньшей мере, с одним из рекуператоров 17 двигателя с возможностью двойной утилизации - теплоты продуктов сгорания и теплоты охлаждения камеры 8 сгорания. Упомянутый рекуператор 17 в свою очередь одним из выходов сообщен с рабочей зоной камеры 8 сгорания с возможностью подачи в последнюю промежуточно компримированной газовой смеси, подогретой в системе 11 охлаждения камеры 8 сгорания и в рекуператоре 17.

Тепловой двигатель снабжен, по меньшей мере, двумя компрессорами 3 и 22, один из которых 3 закоммутирован по каналу 2 подачи охлаждаемой в процессе компримирования газовой смеси, обычно воздуха, с камерой 8 сгорания расширительной машины 1 через ресивер 21 и рекуператор 16, обогреваемый продуктами сгорания.

Другой компрессор 22 выполнен для реализации автономного вторичного цикла подготовки упомянутой газовой смеси, снабжен не менее чем двумя устройствами 23, 24 компримирования, преимущественно цилиндрами с поршнями 19 и системой охлаждения в виде, по меньшей мере, двух охлаждающих устройств 25, 26, смонтированных на канале 27 подачи упомянутой смеси после выхода канала из каждого, но менее чем из двух последовательно сообщенных цилиндров, снабженных также системой охлаждения ограждений, при этом второй компрессор 22 сообщен каналом 28 напрямую с системой 11 охлаждения камеры 8 или камер сгорания.

Смесительная предкамера 9 камеры 8 сгорания расширительной машины 1 сообщена также с каналом подачи в нее под давлением топлива, например сжатого природного газа.

Канал 2 подачи, содержащий окислитель газовой смеси, обычно воздуха, снабжен на входе не менее чем одним фильтром 29 для очистки от загрязнений, содержащихся в подаваемом в компрессор 3 указанном компоненте топливно-газовой смеси.

В способе работы теплового двигателя выполняют операции подготовки и частотного воспроизводства термодинамического цикла сжигания состоящей из компонентов топливногазовой смеси, преобразования полученной тепловой энергии в механическую и передачи ее потребителю тепловым двигателем. Двигатель содержит расширительную машину 1 не менее чем с одной имеющей смесительную предкамеру 9 камерой 8 сгорания с рабочей зоной с ограждениями 10, снабженными системой 11 охлаждения.

Компримирование компонента - содержащей окислитель газовой смеси, обычно воздуха, по меньшей мере, частично осуществляют до подачи последнего в камеру 8 сгорания, в процессе компримирования подвергают охлаждению, а после компримирования догреву с использованием теплоты продуктов сгорания - выхлопных газов и теплоты охлаждения ограждений 10 камеры 8 или камер сгорания. Для этого двигатель снабжают системой рекуперации упомянутых видов уходящей теплоты и через последнюю соединяют компрессором 3 с системой охлаждения компримируемого компонента с охлаждающем устройством 14. Посредством компрессора 3 упомянутый компримированный компонент с разделением потоков подают соответственно в предкамеру 9 и непосредственно в рабочую зону камеры 8 сгорания расширительной машины 1.

Операции подготовки компонента газовой смеси, содержащей окислитель, обычно воздуха, включают забор указанного компонента из внешней среды путем всасывания в компрессор 3 и подвергают компримированию в первой ступени 30, затем начально сжатый компонент подают во вторую ступень 31 компримирования, до подачи в которую подвергают промежуточному охлаждению в канале 2, связывающем указанные ступени 30, 31 и/или через охлаждающую систему ограждений 20 первой ступени компримирования. После чего компонент поступает во вторую ступень 31 компримирования, и после дополнительного сжатия в указанной ступени его подают в третью ступень 32 также с дополнительным охлаждением вторым охлаждающим устройством 14 канала 2 и в охлаждающей системе ограждений 20 второй ступени 31.

После второй ступени 31 производят разделение потоков компримируемого компонента. В основной канал 2 подачи указанного компонента соединяют не менее чем с одним дополнительным каналом 15 на участке до и/или после второго охлаждающего устройства 14 основного канала 2 и подают часть суммарно компримированного в двух предыдущих ступенях 30 и 31 компонента в систему 11 охлаждения ограждений 10 камеры 8 или камер сгорания. Другую часть компримированного компонента после упомянутого дополнительного охлаждения подают в следующую ступень 32 компримирования в компрессоре 3 и после дополнительного сжатия подают из компрессора 3 для подогрева, по меньшей мере, в один рекуператор 16 системы рекуперации двигателя, обогреваемый теплотой продуктов сгорания - выхлопных газов.

Часть компримируемого компонента, поступившую после разделения потоков компонента в третью ступень 32 и затем из компрессора 3 в рекуператор 16 после подогрева последней теплотой продуктов сгорания подают в смесительную предкамеру 9 камеры 8 сгорания расширительной машины 1, а вторую часть потока указанного компонента, подведенную к системе 11 охлаждения камеры 8 или камер сгорания, пропускают через последнюю и подогретую теплотой охлаждения камеры 8 подают в другой рекуператор 17 или другую группу рекуператоров и подвергают дополнительному догреву теплотой продуктов сгорания с возможностью регулирования частично забранной системы отвода отработанных выхлопных газов, поступающих из камеры 8 сгорания. После двойного подогрева указанный поток компонента отдельным каналом подают в рабочую зону камеры 8 сгорания.

Частотно воспроизводимый не менее чем в одной камере 8 сгорания расширительный машины 1 термодинамический цикл сжигания топливногазовой смеси, преобразования полученной тепловой энергии в механическую и передаче ее потребителю включает два взаимосвязанных цикла - основной и вторичный. В основном цикле процесс сжатия осуществляют трехступенчато с промежуточным охлаждением, сжимая на первой ступени до величины P₁, определяемой отношением

Р₁=(Р_к-Р_н)^1/3±20%,

где Р₁ - давление в компоненте после первой ступени компримирования, Р_н - начальное давление компонента, Р_к - конечное давления компонента; на второй ступени повышают давление до величины Р₂

P₂=(P_к-P_н)^2/3±20%,

где Р₂ - давление в компоненте после первой ступени компримирования, Р_н - начальное давление компонента, Р_к - конечное давления компонента.

Во вторичном цикле общую степень сжатия компонента создают в 2-6 раз ниже, чем в основном.

Примеры работы двигателя.

Пример 1

Воздух из окружающей среды через впускной патрубок заборного устройства 4 всасывается в первую ступень 30 поршневого охлаждаемого компрессора 3 основного цикла. Ступень 30 работает по двухтактному циклу. На первом такте воздух через открытый впускной клапан 33 всасывается в цилиндр. На втором такте при движении поршня вверх клапан 33 закрыт, воздух сжимается до давления 0,32 МПа с повышением температуры до 399 К и ближе к верхней мертвой точке (ВМТ) открывается выпускной клапан 34, через который сжатый воздух вытесняется в охладитель 35, где охлаждается до температуры 322 К и направляется во вторую ступень 31 компрессора 3, работающую аналогично первой ступени 30. После второй ступени 31 воздух с давлением 1,03 МПа и температурой 438 К поступает в охладитель 36, где охлаждается до температуры 326 К и далее сжимается в третьей ступени 32 компрессора 3 до давления 3,3 МПа с температурой 443 К. Воздух из компрессора 3 основного цикла идет на сгорание топлива в расширительной машине 1. Прежде чем попасть в расширительную машину 1 воздух проходит рессивер 21 и далее в рекуператоре 16 нагревается за счет тепла продуктов сгорания. Для подогрева воздуха используется 0,15 часть продуктов сгорания, имеющих температуру около 810 К. В результате прохождения через рекуператор 16 воздух нагревается до температуры 516 К.

В компрессоре 22 вторичного цикла, работающем аналогично компрессору 3 основного цикла, воздух сжимается в первой ступени до давления 0,33 МПа с температурой 402 К, далее охлаждается в охладителе до температуры 322 К. Окончательное сжатие происходит во второй ступени до давления 1,1 МПа с температурой 442 К. В зависимости от загрузки двигателя воздух охлаждается до разного уровня температур. При полной загрузке температура воздуха снижается до 326 К. Далее воздух направляется в охлаждающие каналы 37 расширительной машины 1 и нагревается от более нагретых поверхностей цилиндра и головки. На выходе из головки температура воздуха повышается до 548 К. После выхода из головки воздух поступает в рекуператор 17 где нагревается 0,85 частью продуктов сгорания до температуры 779 К. Далее воздух попадает в канал и клапан 38 для впуска вторичного воздуха в расширительную машину 1.

Отношение расхода воздуха через компрессор 3 основного цикла к расходу воздуха через компрессор 22 вторичного цикла составляет 0,75-0,8.

Расширительная машина 1 работает по четырехтактному циклу (весь цикл совершается за 720 градусов поворота коленчатого вала).

На 1 такте поршень 12 движется от верхней мертвой точки (ВМТ) вниз. В окрестности ВМТ открывается впускной клапан 38 вторичного цикла. К моменту открытия клапана 38 давление в цилиндре около 0,136 МПа, а температура 393 К. Через клапан 38 поступает воздух вторичного цикла с давлением 1,1 МПа и температурой 779 К, расширяясь в цилиндре воздух совершает положительную работу. Примерно через 60-70 градусов п.к.в. после ВМТ клапан 38 закрывается, а воздух, имеющий еще достаточно высокое давление, продолжает совершать полезную работу. Примерно за 60-70 градусов п.к.в. до нижней мертвой точки (НМТ) открывается выпускной воздушный клапан 39 и газы из цилиндра уходят в атмосферу. В момент открытия клапана 39 давление и температура газов в цилиндре составляют соответственно около 0,3 МПа и 600 К.

На 2 такте поршень 12 от НМТ поступательно движется вверх. Клапан 39 максимально открыт, а далее начинает плавно закрываться. Полное закрытие происходит примерно через 154 градуса после НМТ. В момент закрытия клапана 39 давление и температура газов в цилиндре составляют соответственно около 0,42 МПа и 456 К. В момент закрытия клапана 39 одновременно открываются клапаны 40 и 41. Через клапан 40 в предкамеру 9 поступает воздух основного цикла с давлением 3,3 МПа и температурой 516 К. Через клапан 41 подается топливный газ под давлением 3,5 МПа. Продолжительность открытия клапанов 40 и 41 около 10 градусов п.к.в. После закрытия клапанов подается искра на свечу зажигания 42 и примерно за 2-7 градусов до ВМТ начинается сгорание, достигая максимальной скорости в окрестности ВМТ.

В 3 такте поршень 12 движется вниз. В начале такта давление и температура газов достигают максимума и составляют соответственно 9-10 МПа и 1815-1850 К. Горение топлива продолжается в течение примерно 60-80 градусов п.к.в. Продукты сгорания вместе с избыточным воздухом, расширяясь, совершают положительную работу. Примерно за 30 градусов до НМТ начинает открываться выпускной клапан 43 продуктов сгорания, через который отработавшие газы покидают цилиндр и направляются в рекуператоры 16, 17. К моменту выпуска давление и температура продуктов сгорания составляют 0,44МПа и 1072 К.

В 4 такте поршень 12 движется вверх, осуществляя принудительную очистку цилиндров от продуктов сгорания. После закрытия клапана 43 за 2 град, до ВМТ открывается впускной клапан 38 вторичного цикла и далее описанный цикл работы расширительной машины 1 повторяется.

Пример 2

В отличие от работы, описанной в примере 1, воздух из окружающей среды через впускной патрубок 43 подается в смеситель 44, где топливный газ смешивается с воздухом. В примере работы 2 в компрессоре 3 основного цикла сжимается не воздух, а топливно-воздушная смесь. Кроме этого в расширительной машине 1 отсутствует клапан подачи топливного газа. По остальным параметрам работа в примере 2 аналогична работе в примере 1.

Пример 3

В отличие от работы, описанной в примере 1, в расширительной машине 1 отсутствует клапан подачи топливного газа, который заменяется на устройство подачи жидкого топлива (например, форсунку). В этом примере в расширительной машине 1 может отсутствовать свеча зажигания. По остальным параметрам работа в примере 3 аналогична работе в примере 1.

Описание термодинамического цикла.

Термодинамический цикл усовершенствованного двигателя состоит из двух взаимосвязанных циклов: основного цикла и вторичного цикла (фиг.4).

В основном цикле процесс сжатия 1-2 осуществляется трехступенчато. В первой ступени 1-1'₁ воздух сжимается до давления 1/3 степени от общей степени повышения давления, определяемой отношением давлений в точках диаграммы 2 и 1. Процесс сжатия в первой ступени политропный с отводом тепла от сжимаемого рабочего тела. После сжатия в первой ступени рабочее тело в изобарном процессе 1'₁-1"₁ охлаждается с уменьшением удельного объема. Далее сжатие происходит во второй ступени до давления составляющего 2/3 степени от общей степени повышения давления. Рабочее тело далее охлаждается в процессе 1'₂-1"₂ и поступает на завершающее политропное сжатие 1"₂-2. В результате трехступенчатого сжатия с двумя ступенями промежуточного охлаждения, рабочее тело сжимается до требуемого давления с двумя ступенями промежуточного охлаждения рабочее тело сжимается до требуемого давления с существенно меньшими затратами энергии на сжатие по сравнению с одноступенчатым сжатием рабочего тела до такого же уровня давления. Однако в результате охлаждения потеряно определенное количество тепла приведшее к снижению температуры рабочего тела. Это тепло может быть компенсировано и даже увеличено за счет частичного использования (примерно на 2/3) тепла отводимого от цикла в изохорном процессе 3'-4 и изобарном 4-1. Подвод этого тепла к рабочему телу происходит изобарно в процессе 2-2'. Температура в этом процессе может быть увеличена до температуры в точке 4. Далее в изохорном процессе 2'-2” и изобарном 2”-3 к рабочему телу подводится тепло эквивалентное теплу, выделяющемуся при сгорании топлива. После подвода тепла происходит политропное расширение с отводом тепла q_охл, которое используется во вторичном цикле для нагрева рабочего тела в изобарном процессе 2'-2' и догревается в процессе 2-3' за счет примерно 1/3 части тепла q_пр отводимого в основном цикле. Во вторичном цикле общая степень повышения давления в процессе сжатия примерно в 4 раза ниже, чем в основном. При сжатии 1-2 используется только одна ступень промежуточного охлаждения. Остальные процессы расширения, отвода тепла аналогичны процессам в основном цикле.

Таким образом, совместное действие основного и вторичного цикла позволяют получить более высокий КПД за счет снижения затрат в процессе сжатия и более полного превращения тепла в полезную работу.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно тепловым двигателям, преимущественно двигателям внутреннего сгорания и способам работы тепловых двигателей. Тепловой двигатель содержит расширительную машину с устройствами для реализации термодинамического цикла работы двигателя, систему охлаждения, систему подготовки компонентов рабочего тела, систему приготовления газотопливной композиции рабочего тела, системы и устройства охлаждения и рекуперации, а также систему отбора мощности. Система подготовки одного из упомянутых компонентов, а именно содержащей окислитель газовой смеси, включает последовательно сообщенные каналом компрессор, имеющий не менее двух устройств ступенчатого компримирования смеси. Один из участков упомянутого канала смонтирован с возможностью подключения к нему до и/или после охлаждающего устройства компрессора дополнительного канала для промежуточного отбора компримируемой газовой смеси и подачи последней в систему охлаждения расширительной машины. Наиболее удаленное от заборного устройство компримирования смеси сообщено с системой приготовления газотопливной композиции рабочего тела в расширительной машине, по меньшей мере, через один рекуператор. Каждый рекуператор имеет теплообменный контур для подогрева упомянутой газовой смеси, с возможностью регулирования сообщенный с каналом подачи в него горячих выхлопных газов, и, по крайней мере, один рекуператор выполнен с возможностью дополнительной регенерации и возврата в камеру сгорания теплоты, утилизируемой из системы охлаждения расширительной машины. В способе работы теплового двигателя компримирование компонента, обычно воздуха, по меньшей мере, частично осуществляют до подачи последнего в камеру сгорания, в процессе компримирования подвергают охлаждению, а после компримирования догреву с использованием теплоты продуктов сгорания - выхлопных газов и теплоты охлаждения ограждений камеры или камер сгорания, для чего двигатель снабжают системой рекуперации упомянутых видов уходящей теплоты и через последнюю соединяют с имеющим систему охлаждения компримируемого компонента компрессором, посредством которого упомянутый компримированный компонент с разделением потоков подают соответственно в предкамеру и непосредственно в рабочую зону камеры сгорания. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении эффективной мощности двигателя и повышении коэффициента полезного действия за счет рекуперативного введения в работу двигателя теплоты продуктов сгорания - выхлопных газов, в том числе с включением в указанный процесс теплоты охлаждения камер сгорания расширительной машины теплового двигателя. 2 н. и 11 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Тепловой двигатель, характеризующийся тем, что он содержит расширительную машину с устройствами для реализации термодинамического цикла работы двигателя и систему охлаждения, сообщенные с расширительной машиной систему подготовки компонентов рабочего тела - содержащей окислитель газовой смеси, обычно воздуха, а также топлива и систему приготовления газотопливной композиции рабочего тела, системы и устройства охлаждения и рекуперации, а также систему отбора мощности, при этом система подготовки одного из упомянутых компонентов, а именно содержащей окислитель газовой смеси, включает последовательно сообщенные каналом в направлении движения упомянутого компонента: компрессор, имеющий заборное устройство и не менее двух связанных участком упомянутого канала устройств ступенчатого компримирования смеси, а расширительная машина имеет, по меньшей мере, одну камеру сгорания со смесительной предкамерой и рабочей зоной с ограждениями, снабженными системой охлаждения, а также поршнем, в свою очередь, кинематически связанным с системой отбора мощности с возможностью передачи к ней выработанной в расширительной машине механической энергии, причем, по меньшей мере, один участок канала, связывающий два смежных устройства компримирования смеси, снабжен охлаждающим устройством системы охлаждения компрессора, кроме того, по меньшей мере, один из упомянутых участков канала смонтирован с возможностью подключения к нему до и/или после упомянутого охлаждающего устройства компрессора дополнительного канала для промежуточного отбора компримируемой газовой смеси и подачи последней в систему охлаждения расширительной машины, а наиболее удаленное от заборного устройство компримирования смеси сообщено по упомянутой компримированной газовой смеси с системой приготовления газотопливной композиции рабочего тела в расширительной машине, по меньшей мере, через один рекуператор, при этом каждый рекуператор имеет теплообменный контур для подогрева упомянутой газовой смеси, с возможностью регулирования сообщенный с каналом подачи в него горячих выхлопных газов и, по крайней мере, один рекуператор выполнен с возможностью дополнительной регенерации и возврата в камеру сгорания теплоты, утилизируемой из системы охлаждения расширительной машины.

2. Тепловой двигатель по п.1, отличающийся тем, что компрессор для подготовки, содержащий окислитель газовой смеси, выполнен, по меньшей мере, трехступенчатым, а устройства компримирования смеси выполнены в виде оснащенных поршнями цилиндров с ограждениями и сообщены между собой и с расширительной машиной участками канала для подачи в последнюю компримированной смеси, при этом участки канала, попарно сообщающие смежные цилиндры компрессора, снабжены охлаждающими устройствами и, кроме того, ограждения цилиндров выполнены охлаждаемыми от системы охлаждения компрессора.

3. Тепловой двигатель по п.2, отличающийся тем, что наиболее удаленный от заборного устройства цилиндр компрессора сообщен на выходе через ресивер и рекуператор с предкамерой каждой из камер сгорания расширительной машины, а рекуператор запитан с выходным каналом камеры или камер сгорания с возможностью подачи в него продуктов сгорания для подогрева упомянутой подаваемой в расширительную машину компримированной газовой смеси.

4. Тепловой двигатель по п.1, отличающийся тем, что система рекуперации включает не менее двух рекуператоров, закоммутированных с возможностью регулируемой подачи в них горячих продуктов сгорания - выхлопных газов с последующим отводом продуктов сгорания во внешнюю среду.

5. Тепловой двигатель по п.2, отличающийся тем, что канал с компримированной газовой смесью в компрессоре на одном из участков между цилиндрами, преимущественно, после второго цилиндра сообщен дополнительным каналом с системой охлаждения ограждений камеры или камер сгорания и подключен к указанной системе на входе, а последняя на выходе сообщена, по меньшей мере, с одним из рекуператоров двигателя с возможностью двойной утилизации - теплоты продуктов сгорания и теплоты охлаждения камеры сгорания, причем упомянутый рекуператор, в свою очередь, одним из выходов сообщен с рабочей зоной камеры сгорания с возможностью подачи в последнюю промежуточно компримированной газовой смеси, подогретой в системе охлаждения камеры и в рекуператоре.

6. Тепловой двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен, по меньшей мере, двумя компрессорами, один из которых закоммутирован по каналу подачи охлаждаемой в процессе компримирования газовой смеси, обычно воздуха, с камерой сгорания расширительной машины через ресивер и рекуператор, обогреваемый продуктами сгорания, а другой компрессор выполнен для реализации автономного вторичного цикла подготовки упомянутой газовой смеси, снабжен не менее чем двумя устройствами компримирования, преимущественно цилиндрами с поршнями и системой охлаждения в виде, по меньшей мере, двух охлаждающих устройств, смонтированных на канале подачи упомянутой смеси после выхода канала из каждого, но менее чем из двух последовательно сообщенных цилиндров, снабженных также системой охлаждения ограждений, при этом второй компрессор сообщен напрямую с системой охлаждения камеры или камер сгорания.

7. Тепловой двигатель по п.1, отличающийся тем, что предкамера камеры сгорания сообщена также с каналом подачи в нее под давлением топлива, например сжатого природного газа.

8. Тепловой двигатель по п.1, отличающийся тем, что канал подачи содержащей окислитель газовой смеси, обычно воздуха снабжен на входе не менее чем одним фильтром для очистки от загрязнений, содержащихся в подаваемом в компрессор указанном компоненте топливно-газовой смеси.

9. Способ работы теплового двигателя, характеризующийся тем, что выполняют операции подготовки и частотного воспроизводства термодинамического цикла сжигания состоящей из компонентов топливно-газовой смеси, преобразования полученной тепловой энергии в механическую и передачи ее потребителю двигателем, содержащим расширительную машину не менее чем с одной имеющей смесительную предкамеру камерой сгорания с рабочей зоной с ограждениями, снабженными системой охлаждения, при этом компримирование компонента - содержащей окислитель газовой смеси, обычно воздуха, по меньшей мере, частично осуществляют до подачи последнего в камеру сгорания, в процессе компримирования подвергают охлаждению, а после компримирования - догреву с использованием теплоты продуктов сгорания - выхлопных газов и теплоты охлаждения ограждений камеры или камер сгорания, для чего двигатель снабжают системой рекуперации упомянутых видов уходящей теплоты и через последнюю соединяют с имеющим систему охлаждения компримируемого компонента компрессором, посредством которого упомянутый компримированный компонент с разделением потоков подают соответственно в предкамеру и непосредственно в рабочую зону камеры сгорания.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что операции подготовки компонента газовой смеси, содержащей окислитель, обычно воздуха включают забор указанного компонента из внешней среды путем всасывания в компрессор и подвергают компримированию в первой ступени, затем начально сжатый компонент подают во вторую ступень компримирования, до подачи в которую подвергают промежуточному охлаждении в канале, связывающем указанные ступени и/или через охлаждающую систему ограждений первой ступени компримирования, после чего компонент поступает во вторую ступень компримирования и после дополнительного сжатия в указанной ступени его подают в третью ступень также с дополнительным охлаждением вторым охлаждающим устройством канала и в охлаждающей системе ограждений второй ступени, при этом после второй ступени производят разделение потоков компримируемого компонента, для этого в основной канал подачи указанного компонента соединяют не менее чем с одним дополнительным каналом на участке до и/или после второго охлаждающего устройства основного канала и подают часть суммарно компримированного в двух предыдущих ступенях компонента в систему охлаждения ограждений камеры или камер сгорания, а другую часть компримированного компонента после упомянутого дополнительного охлаждения подают в следующую ступень компримирования в компрессоре и после дополнительного сжатия подают из компрессора для подогрева, по меньшей мере, в один рекуператор системы рекуперации двигателя, обогреваемый теплотой продуктов сгорания - выхлопных газов.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что часть компримируемого компонента, поступившую после разделения потоков компонента в третью ступень и затем из компрессора в рекуператор, после подогрева последней теплотой продуктов сгорания, подают в смесительную предкамеру камеры сгорания расширительной машины, а вторую часть потока указанного компонента, подведенную к системе охлаждения камеры или камер сгорания, пропускают через последнюю и подогретую теплотой охлаждения камеры подают в другой рекуператор или другую группу рекуператоров и подвергают дополнительному догреву теплотой продуктов сгорания с возможностью регулирования частично забранной системы отвода отработанных выхлопных газов, поступающих из камеры сгорания, и после двойного подогрева указанный поток компонента отдельным каналом подают в рабочую зону камеры сгорания.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что частотно воспроизводимый не менее чем в одной камере сгорания расширительный машины термодинамический цикл сжигания топливно-газовой смеси, преобразования полученной тепловой энергии в механическую и передачи ее потребителю включает два взаимосвязанных цикла - основной и вторичный, при этом в основном цикле процесс сжатия осуществляют трехступенчато с промежуточным охлаждением, сжимая на первой ступени до величины P₁, определяемой отношением
Р₁=(Р_к-Р_н)^1/3±20%,
где P₁ - давление в компоненте после первой ступени компримирования, Р_н - начальное давление компонента, Р_к - конечное давления компонента; на второй ступени повышают давление до величины P₂
P₂=(P_к-P_н)^2/3±20%,
где Р₂ - давление в компоненте после первой ступени компримирования, Р_н - начальное давление компонента, Р_к - конечное давления компонента.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что во вторичном цикле общую степень сжатия компонента создают в 2-6 раз ниже, чем в основном.