Двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1990 года по МПК F02G5/00 

Изобретение относится к машино - строению, а именно двигателестрое- нию, может быть использовано для утилизации тепловой и кинетической энергии двигателя внутреннего сгорания и является усовершенствованием изобретения по авт.св. № 1449690.

Цель изобретения - повышение - удельной мощности двигателя путем использования кинетической энергии, улучшения теплопередачи и повышения энергии пара,

На фиг.1 приведен двигатель,общий вид; на фиг. 2 - реактивные сопла и турбоэлектрогенератор; на фиг.З - то же, продольный разрез; на фиг.4 - реактивные сопла; на фиг.З - Турбо- электрогенератор; на фиг. 6 - раз- вертка рабочего колеса и направляющих аппаратов турбоэлектрогенерато- ра; на фиг 7 - термодинамический цикл двигателя; на фиг.8 - термоэлектрическая батарея.

Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр 1, полый поршень 2, шток 3, коленчатый вал 4, систему охлаждения поршня 2 с форсункой 5 подачи мелкодисперсного теплоносителя в полость 6 охлаждения поршня 2, магистралью 7 отвода пара из полости 6 в конденсатор 8 и насосом 9 подачи теплоносителя, одну пару реактивных сопел 10 с входными патрубками 11 и выходными соплами 12, термоэлектрическую батарею 13 и Турбо- электрогенератор 14 двустороннего действия. Цилиндр 1 двигателя установлен на картере 15 и отделен от него перегородкой. Полый поршень 2 размещен в цилиндре 1 с образованием рабочей и подпоршневой полостей 16 и 17. Шток 3 связан с поршнем 2, а коленчатый вал 4 подсоединен через шатун 18 и крейцкопф 19 к штоку 3. Насос 9 подачи теплоносителя подсоединен впускным каналом 20 к конденсатору 8 и связан через напорный трубопровод 21 и телескопический элемент 22 с форсункой 5 подачи мелкодисперсного распылителя„

Реактивные сопла 10 выполнены в виде участка магистрали 7 отвода пара, прикреплены к штоку 3 в подпоршневой полости 17 параллельно его оси и их выходные диффузоры 23 направлены в противоположные стороны, входные патрубки 11 объединены в общий корпус 24, в котором установле

0

5

0

5

0

5

0

5

ны инерционные золотники 25 для поочередного соединения с магистралью 7 отвода пара, а конденсатор 8 размещен в подпоршневой полости 17. Входной патрубок 11 каждого сопла 10 выполнен с полым центральным стержнем 26, снабженным боковым отверстием 27 и упорами 28, а инерционные золотники 25 выполнены в виде подвижной шайбы, размещенной между упорами 28 на полом центральном стержне 26 с возможностью перекрытия бокового отверстия 27 при своем перемещении.

Термоэлектрическая батарея 13 прикреплена холодными спаями 29 к днищу 30 поршня 2 в его полости 6 охлаждения и связана через электрическую цепь с турбоэлектрогенератором 14, причем последний размещен в замкнутом корпусе 31, частично заполненном рабочей жидкостью и прикрепленном к штоку 3 в подпоршневой полости 17 параллельно оси штока 3, и выполнен в виде двусторонней турбины 32 и электрогенератора 33,кинематически связанного с рабочим колесом 34 турбины 32, направляющий аппарат которой выполнен в виде двух рядов лопаток 35 и 36, расположенных с двух сторон рабочего колеса 34. Горячие спаи 37 термоэлектрической батареи 13 связаны с холодными спаями 29 через полупроводниковые элементы 38 и 39. В качестве термоэлектрической батареи 13 могут быть использованы существующие термоэлектрические модули, плотность теплового потока которых может достигать 3,5 Вт/см , а рабочая температура 1000-1200 К0 Эти модули работоспособны при вибрациях в диапазоне частот 5-1000 Гц при ускорении до 10g, ударах с ускорением до 50g, усилиях прижима до 10-15 кгс/смг, акустических шумах в диапазоне частот 20-10000 Гц с интенсивностью звуковых колебаний свыше 130 дБ, Важным параметром термоэлектрической батареи 39, определяющим коэффициент преобразоЬания теплового насоса, является добротность полупроводниковых материалов, из которых изготовлены полупроводниковые элементы 40 и 41 . В настоящее время добротность может достигать 1 10 К ,

Двигатель работает следующим образом.

Преобразование теплоты сгорания топлива в механическую работу осуществляется в результате совершения в двигателе комбинированного термодинамического цикла, состоящего из .рабочего цикла а-Ъ-c-d-a (фиг.7) дизеля, тепяонасосного цикла e-f-g-h-e и паросилового цикла i-k-1-m-n-o-i. При этом рабочий цикл a-b-c-d-a осуществляется в рабочей полости 16,теп лонасосный цикл e-f-g-h-e - в термоэлектрической батарее 13, а паросиловой цикл i-k-1-m-n-o-i - в подпорш- невой полости 17,

Рабочий цикл а-Ъ-c-d-a состоит из следующих процессов: процесса а-Ъ, являющегося процессом сжатия; процесса Ъ-с, являющегося процессом подвода теплоты, процесса c-d, являющегося процессом расширения, и процесса d-a являющегося процессом отвода теплоты. Результатом этого цикла является трансформация теплоты сгорания топлива в механическую работу: в процессе c-d расширения сила давления газов в рабочей полости I6 передается на поршень 2, а затем через шток 3, крейцкопф I9 и шатун 18 на коленчатый вал 4. Другим результатом рабочего цикла a-b-c-d-a является отбросная теплота, которая частично утилизируется в паросиловом цикле i-K-1- m-n-o-i;

Отбросная теплота рабочего цикла a-b-c-d-a частично передается через днище 30 поршня 2 для утилизации,При этом обеспечивается интенсификация теплопередачи и снижение необратимых потерь теплопередачи за счет осуществления термоэлектрической батареей 13 тегшонасосного цикла e-f-g-h-e, коэффициент преобразования которого пропорционален плотности передаваемого из рабочей полости 16 теплового потока.

Теплонасосный цикл e-f-g-h-e состоит из следующих процессов: процесса e-f, соответствующего протеканию некоторого количества электричества по холодному спаю 29{ процесса f-g, характеризуемого изменением количества электричества, которое происходит в результате движения тока через полупроводниковый элемент 39 с р-про- водимостью от холодного спая 29 к горячему спаю 37; процесса g-h,соответствующего протеканию некоторого количества электричества по горяче- му спаю 37} процесса h-e, характери0

5

0

5

0

5

0

5

0

чуемого изменением количества электричества, которое происходит в результате движения тока через полупроводниковый элемент 38 с п-проводи- мостью от горячего спая 37 к холодному спаю 29.

Возвратно-поступательное перемещение штока 3 и жестко связанного с ним корпуса 31 преобразуется в непрерывное вращение электрогенератора 33 за счет взаимодействия волнообразно пульсирующей в корпусе 31 рабочей среды с лопатками рабочего колеса 34 турбины 32 и двух рядов лопаток 35 и 36 направляющих аппаратов турбо- электрогенератора 14, Вырабатываемый турбоэлектрогенератором 14 электрический ток, пропорциональный частоте движения поршня 2, подается в термоэлектрическую батарею 13, Полярность подключения термоэлектрической батареи 13 такова, что по холодному спаю 29 электрический ток течет от полупроводникового элемента 38 с п-про- водимостью к полупроводниковому элементу 39 с р-прсводимостью, а по горячему спаю 37 электрический ток течет от полупроводникового элемента 39 с р-проводимостью к полупроводниковому элементу 38 с п-проводи- мостью. Вследствие эффекта Пельтье дополнительно поглощается теплота в горячих спаях 37 и дополнительно выделяется теплота в холодных спаях 29.

Температура тх холодных спаев 29 ниже температуры рабочей среды в рабочей полости 6 и тепловой поток, отводимый от рабочей среды, увеличивается вследствие возрастания температурного напора между рабочей средой и днищем 30 поршня 2.

Температура тг горячих спаев 37 выше температуры рабочей среды в полости 6 охлаждения поршня 2 и тепловой поток, подводимый к мелкодисперсному теплоносителю, подаваемому форсункой 5 на горячие спаи 37,увеличивается вследствие возрастания температурного напора между днищем 30 поршня 2 и теплоносителем. При этом теплоносителю в полости 6 охлаждения передается не только теплота, отводимая от рабочей среды в рабочей полости 16, но и теплота, эквивалентная работе, совершаемой электрическим током в термоэлектрической батарее 13.

Теплопереход в самой термоэлектрической батарее 13 обеспечивается как обычным путем теплопроводности, так и переносом, теплоты носителями электрического тока полупроводниковых элементов 38 и 39.

Паросиловой цикл i-k-1-tn-n-o-i состоит из следующих процессов: процесса i-k-1-m, являющегося процессом подвода теплоты термоэлектрической батареей 13; процесса m-n, являющегося процессом расширения пара в реактивных соплах 10; процесса п-о, являющегося процессом отвода теплоты в конденсаторе 8, и процесса o-i, являющегося процессом сжатия теплоносителя в насосе 9. Результатом этого цикла является трансформация отбросной теплоты в механическую работу, происходящая следующим образом

С помощью насоса 9 через его напорный трубопровод 21 и телескопический элемент 22 жидкий теплоноситель подается в форсунку 5, которая обеспечивает подачу теплоносителя в виде мелкодисперсной жидкой фазы в полость 6 охлаждения на горячие спаи - 37 термоэлектрической батареи 13. В полсгсти 6 мелкие капли теплоносителя нагреваются и испаряются. Перегретый пар из полости 6 через магистраль 7 в штоке 3 заполняет общий корпус 24 входных патрубков 11 и реактивных сопел 10.

При движении поршня 2 вниз инерционный золотник 25 прижат к одному упору 28, а другой инерционный золотник 25 прижат к своему упору 28. При этом одни .боковые отверстия 27 открыты, а другие боковые отверстия 27 закрыты. Перегретый пар поступает в реактивное сопло 0, где, расширяясь, совершает механическую работу При этом сила тяги реактивного сопла 10 направлена в сторону движения поршня 2 и на коленчатом валу 4 создается дополнительный вращающий момент. При движении поршня 2 вверх все происходит наоборот, , При увеличении подвода теплоты из рабочей полости 16 вследствие увеличения цикловой подачи топлива обороты коленчатого вала 4 увеличиваются, соответственно возрастает электрический ток электрогенератора 33, Повыша ются температурные напоры, обеспечи- ваемые работой термоэлектрической

батареи 13, увеличивается плотность теплового потока, передаваемого через днище 30 поршня 2 во внутреннюю полость 6 охлаждения, и полезная работа паросилового цикла i-k-1-m-n-o-i возрастает ,

Возможны различные соотношения температур рабочей среды в рабочей

полости 16 и теплоносителя во внутренней полости 6. Температура Тг го рячих спаев 37 может быть как ниже, так и выше температуры рабочей среды в рабочей полости 16. Одновременно

5 температура Т холодных спаев 29 может быть как ниже, так и выше температуры теплоносителя во внутренней полости 6 охлаждения.

Эффективность работы термоэлектQ рической батареи 13 оценивается отношением теплоты, подводимой к теплоносителю в полости 6, к затраченной работе электрического тока,вырабатываемого электрогенератором 33, и при

5 высокой добротности термоэлектрической батареи 13 и не слишком большой разности температур горячих и холодных спаев 37 и 29 это отношение (отопительный коэффициент) может дости0 гать 10-12%. Это означает, что затрачиваемая для интенсификации теплопередачи через днище 30 поршня 2 электроэнергия составляет всего 8 - 10% от передаваемой теплоты, причем значительная часть электроэнергии возобновляется за счет преобразования теплоты в механическую работу

реактивными соплами 10.

т

п Возможна также эффективная теплопередача через днище 30 поршня 2, когда температура теплоносителя полости 6 выше температуры в рабочей полости 16. Коэффициент преобразова5 ния термоэлектрической батареи .13 и в этом случае достаточно высок.Повышение температурных напоров в ряде случаев одновременно увеличивает коэффициент теплоотдачи, что еще больQ me увеличивает плотность теплового потока через днище 30 поршня 2.

По сравнению с известными устройствами интенсивность теплопередачи из рабочей полости 16 в полость 6 охлаждения может быть увеличена в 5-6 раз. Однако удельную мощность двигателя не следует повышать более чем в 2-3 раза ввиду увеличения доли невозобновляемых затрат электроэнер5

16

Фиг.2

5/

Фиг.Ь

Фиг. 6

Устройство относится к машиностроению и предназначено для повышения удельной мощности путем использования кинетической энергии, улучшения теплопередачи и повышения энергии пара. Двигатель содержит цилиндр, полый поршень 2, шток 3, коленчатый вал, систему охлаждения поршня 2 с форсункой 5 подачи мелкодисперсного теплоносителя в полость 6 охлаждения поршня 2, по меньшей мере одну пару реактивных сопел 10, термоэлектрическую батарею (ТБ) 13 и турбоэлектрогенератор (ТЭ) 14 вдустороннего действия. При работе двигателя кинетическая энергия утилизируется в ТЭ 14, прикрепленном к штоку 3 поршня 2 и частично заполненном жидкостью, которая при перемещении штока вращает рабочее колесо турбины, передающей вращение на электрогенератор. Вырабатываемый ТЭ 14 электрический ток подается в ТБ 13, в которой с помощью горячих и холодных спаев осуществляется преобразование тепловой и электрической энергии и улучшаются процессы теплопередачи и утилизации теплоты сгорания топлива в рабочей полости. 8 ил.

Фиг.7

38 39 30

Фиг. 8