Комбинированный двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1991 года по МПК F02M25/10 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания с нагнетателями и приспособлением обогащения воздуха кислородом.

Целью изобретения является повышение КПД двигателя и снижения токсичности путем повышения концентрации кислорода в свежем заряде.

На фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемого двигателя; на фиг.2 - схема двигателя с двумя мембранными камерами; на фиг.З - схема двигателя с двухступенчатым наддувом; на фиг.4 - схема мембранной камеры.

Двигатель включает цилиндры 1 с выпускными клапанами 2, связанными с выпускным 3 и впускным 4 трактами, Двигатель имеет приводной нагнетатель 5, механически (валами 6 и передачами) связанный с коленчатым валом двигателя, и турбокомпрессор 7, состоящий из компрессора 8 и турбины 9. К турбокомпрессору подсоединена турбина 10 для расширения газа, обогащенного азотом (азота).

После компрессора 8 установлена селективная мембранная камера 11 (МК). Каналом 12 обогащенного кислородом воздуха камера 11 через охладитель 13 и приводной компрессор 5 соединена с основным впускным трактом 4. Каналом 14 обедненного кислородом воздуха камера через теплообменник 15 соединена с турбиной 10. Для прогрева азота теплом отработавших газов теплообменник 15 подключен к выходному патрубку турбины 9.

Двигатель может иметь две мембранные камеры 11 (МК1) и 16 (МК2), установленные после них дополнительные охладители 17 и 18 наддувочного воздуха, а также дополнительный впускной тракт 19, соединенный с каналом обогащенного кислородом воздуха мембранной камеры 16.

Двигатель может иметь дополнительный турбокомпрессор 20, причем канал обедненного кислородом воздуха дополнительной мембранной камеры 16 соединен через теплообменник 15 с турбиной 9 первой ступени наддува.

Возможны и иные варианты выполнения двигателя. Варианты могут отличаться числом и последовательностью подключения мембранных камер, соединением азот- ных каналов нескольких камер с различными турбинами и их ступенями и т.д.

Возможны различные схемы прогрева и использования мощности азотных потоков. Азотные каналы для прогрева азота могут подсоединяться к системам охлаждения двигателя и его агрегатов, к охладителям воздуха, пенетранта, азота других ступеней нагнетания и т.п. Турбины или иные расширительные машины, связанные с азотными каналами, могут соединяться с

коленвалом и иными валами двигателя, валами вентиляторов системы охлаждения и других агрегатов, включая агрегаты силовой установки, на которой используется двигатель. Двигатель может иметь системы газораспре0 деления и топливоподачи, обеспечивающие работу по четырех- или двухтактному циклам, с внутренним или внешним (при системе зажигания) смесеобразованием.

Мембранные камеры, установленные во

5 впускном тракте, могут иметь различную конструкцию. На фиг.4 изображена одна из наиболее компактных компоновок мембран по типу полые волокна. Мембранная камера (или по иной терминологии мембранный

0 аппарат) устроена следующим образом. В корпусе 21 установлена мембрана в виде пучка полых волокон 22. Волокна собраны в пучок с помощью спирально навитой нити 23, которая одновременно обеспечивает необхо5 димый зазор между отдельными волокнами, что улучшает распределение разделяемого воздуха в пучке волокон 22. Пучок полых волокон 22 закреплен в трубных плитах 24. Воздух из компрессора 8 поступает че0 рез впускной патрубок 25 внутрь полых волокон 22. Стенки волокон сделаны из мембран, пропускающих кислород лучше, чем азот. За счет разности давлений внутри и снаружи полых волокон воздух проходит

5 через стенку волокна и обогащается кислородом. Обогащенный кислородом пенет- рант отводится через канал 12. Обедненный кислородом воздух (азот) отводится с противоположного конца полых волокон и уда0 ляется из камеры через канал 14.

Двигатель работает следующим образом.

Процессы сжатия, сгорания, расширения и выпуска аналогичны этим процессам

5 в других поршневых ДВС. При сгор ании образуется значительно меньше продуктов неполного горения, чем в традиционных двигателях, ввиду более полного сгорания в среде, обогащенной кислородом. Отрабо0 тавшие газы из турбины 9 поступают в теп- лообменник, где нагревают азот. Последний из теплообменника 15 поступает в турбину 10, где расширяется. Мощность этой турбины вместе с мощностью турбины

5 9 используется для привода компрессора 8, который нагнетает атмосферный воздух в мембранную камеру 11 (МК).

Когда сжатый воздух проходит через мембранную камеру, в данной конструкции по полым волокнам, под действием перепада давлений через мембрану, из которой сделаны стенки волокон, кислород проходит лучше, чем азот. Таким образом в межволоконном пространстве оказывается воздух, обогащенный кислородом, а внутри волокон - воздух, обогащенный азотом. Этот азот отводится через канал 14, а обогащенный кислородом воздух через канал 12 поступает в охладитель 13 наддувочного воздуха, где охлаждается. Затем после ежа- тия в приводном компрессоре 5 обогащенный кислородом воздух через впускной тракт 4 поступает в двигатель.

Работа двигателя, схема которого изображена на фиг.2, отличается в основном тем, что обогащение кислородом происходит не в одной, а в двух мембранных камерах. Кроме камеры 11 (МК1), обогащение кислородом происходит в камере 16 (МК2). Перед подачей в эту камеру газа он допол- нительно сжимается компрессором 5-. Обогащенный кислородом пенетрант через охладитель 18 и дополнительный впускной тракт 19 поступает в цилиндр двигателя. Впускной клапан тракта 19 открывается позднее клапана тракта 4, так как давление пенетранта, поступающего в этот тракт/выше, чем давление пенетранта, поступающего в тракт 4. Когда разность давлений пенетранта, поступающего из обеих камер, значительна, впуск через тракт 19 начинается с интервалом после закрытия клапана тракта 4.3а этот интервал происходит сжатие газа, поступившего в цилиндр через тракт 4. В результате сжатия уменьшается градиент давлений между газом, находящимся в цилиндре и выходящим из камеры 16. Вследствие уменьшения градиента давлений уменьшается диссипация энергии и повышается КПД.

Азот, выходящий под давлением из камеры 16(МК2), направляется через теплообменник 15 в турбину 10.

В двигателе, работающем по схеме, изображенной на фиг.З, реализовано двух- ступенчатое сжатие в двух турбокомпрессорах и 20. Азот, нагретый втеплообменнике 15, для компактности двигателя расширяется в турбине 9 турбокомпрессора 7 вместе с выпускными газами.

Мембранные камеры обеспечивают подачу в двигатель свежего заряда, обогащенного кислородом. Вследствие этого горение топлива происходит более полно, что снижает то ксичность отработавших газов. Расширение потока азота в турбине, ступенчатое сжатие и другие перечисленные выше технические решения повышают КПД. компенсируя уменьшение КПД вследствие сопротивления мембран.

Формула изобретения

1.Комбинированный двигатель внутреннего сгорания, содержащий впускной и выпускной тракты, механизм газораспределения, селективные мембранные камеры с каналом отвода обедненного кислородом воздуха и каналом обогащенного кислородом воздуха, сообщенным через приводной нагнетатель с впускным трактом двигателя, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД двигателя и снижения токсичности путем повышения концентрации кислорода в свежем заряде, двигатель снабжен охладителем, турбокомпрессором, охладитель установлен в канале обогащенного кислородом воздуха перед приводным нагнетателем, турбина турбокомпрессора сообщена с выпускным трактом, а компрессор - с мембранной камерой, при этом канал отвода обедненного кислородом воздуха мембранной камеры сообщен с турбиной.

2.Двигатель по п.1,отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним дополнительным впускным трактом, теплообменником, по меньшей мере- одной дополнительной мембранной камерой и двумя дополнительными охладителями, канал отвода обедненного кислородом воздуха основной мембранной камеры сообщен через первый дополнительный охладитель с дополнительной мембранной камерой, канал обогащенного кислородом воздуха которой сообщен через второй дополнительный охладитель с дополнительным впускным трактом, при этом канал отвода обедненного кислородом воздуха дополнительной мембранной камеры сообщен через теплообменник с турбиной.

3.Двигатель по пп. 1 и2,отличаю- щ и и с я тем, что он снабжен дополнительным турбокомпрессором, турбина которого сообщена с выпускным трактом, а компрессор - с дополнительной мембранной камерой.

Целью изобретения является повышение КПД двигателя и снижение токсичности путем повышения концентрации кислорода в свежем заряде. Двигатель содержит цилиндры 1 с механизмом газораспределения впускным трактом 4, имеет приводной нагнетатель 5 и трубокомпрессор 7. После компрессора 8 установлена селективная мембранная камера 11. Воздух нагнетается трубокомпрессором 7, разделяется в мембранной камере 11 на обогащенный кислородом и обедненный кислородом. Первый подается через нагнетатель 5 в цилиндр 1, а обедненный кислородом воздух подается на турбину 10, повышая КПД наддува. При этом повышается КПД двигателя и снижается токсичность из-за повышения содержания кислорода и снижения потерь наддува. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

0902991

ivcfounvnft о

хошоц

21

ZZZZZ2

г

ЮС/рНПУПЪ

д ошнойшзнаи ношоц

Ј ЭПф

21

и

ZZZZZ2Z

г

xfipeog

ч-ьлллл лЗ ССВиХ&

ЈZ II

hi