Двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1992 года по МПК F02G5/04 F01P3/22 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам, преобразующим тепловую энергию сгорания топлива в

механическую, и может быть использовано на транспортных средствах (с карбюраторными двигателями или дизелями) и на различных силовых установках (компрессорах, генераторах электрического тока и т.п.).

Известен комбинированный ДВС, ког торый содержит турбокомпрессор наддува, вход турбины которого подключен к выхлопному коллектору, а выход- к выходной магистрали и контур высокотемпературного охлаждения с паросепаратором, снабженным пароотводящей магистралью, подключенной к входу турбины турбокомпрессора.

Анализ теплового баланса известных типов двигателей, свидетельствует о том, что например, для карбюраторных двигателей полезная доля тепловой энергии сгораемого топлива составляет 23-32%, теплоотвод в систему охлаждения и смазки двигателя 20-35%, потери тепла с выхлопными газами 30-55%. Как следует из приведенных величин, основная доля тепловой энергии передается в систему охлаждения и смазки и в выхлопные газы, т.е. полезно не используется.

Цель изобретения - повышение экономичности.

Указанная цель достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания снабжен компрессором подачи теплоносителя, дополнительным редукто ром, электромотором, двумя экранированными электромагнитными муфтами, двумя отсечными электромагнитными клапанами и об-, ратным клапаном, причем компрессор установлен в замкнутом контуре циркуляции теплоносителя между емкостью сбора , теплоносителя и обратным клапаном, вал компрессора кинематически связан через дополнительный редуктор и первую электромагнитную муфту с ротором утилизационной турбины и подключен через вторую электромагнитную муфту к электромотору, ёмкость сбора теплоносителя снабжена отводным патрубком с установленным в нем первым отсечным электромагнитным клапаном, второй отсечной электромагнитный клапан размещен на входе в утилизационную турбину, а электромагнитные клапаны и электромотор подключены к аккумуляторной батарее.

На чертеже представлена схема устройства. .Двигатель внутреннего сгорания содержит собственно двигатель, состоящий из силового агрегата 1, выхлопного коллектора 2, коленчатого вала 3 и других элементов (системы подачи топлива, смазки, вентиляции и т.п.), а также замкнутый контур, заправленный рабочим телом - сжиженным газом, например углекислотой, одновременно являющимся охладителем (вместо обычного

охладителя типа Тосол), состоящий из по- v следовательно соединенных магистралями турбины 4,.ротор которой через редуктор 5 кинематически связан с- коленчатым валом

3, емкости 6 сбора газожидкостной фазы рабочего тела, компрессора 7 с электромотором 8, обратного клапана 9, емкости-теп- лообменника 10, размещенного на выхлопном коллекторе 2, трактов 12 картера, электромагнитных клапанов 13 и 1.4. При этом ротор турбины 4 кинематически соединен с валом компрессора 7 через редуктор 15, вал компрессора1 соединен с валами ч электромотора 8 и редуктора 15 экранированными электромагнитными муфтами 16 и 17 соответственно.Электроклапаны 13 и 14 и электромотор 8 электрически запитаны от аккумуляторной батареи. Магистраль 18 соединяет

компрессор 7 с емкостью-теплообменни- ; ком 10, магистраль 19 - теплообменные магистрали 12 картера с турбиной 4 через электроклапан 13.

Двигатель работает следующим образом.

Перед началом работы замкнутый контур от обратного клапана 9 до отсечного электроклапана 13 (т.е. без турбины 4. емкости 6 и компрессора 7) заправлен сжиженным газом, например углекислотой, с определенным коэффициентом заполнения. Давление в заправленной части контура определяется только температурой

рабочего тела (для углекислоты давление насыщенных паров составляет 40 кгс/см при 5°С и 73 кгс/см2 при 30°С). Электроклапаны 13 и 17 закрыты, вал компрессора разъединен с валами электромотора 8 и редуктора

15.

Запуск двигателя производят подачей электрического напряжения на электроклапан 13 и электромагнитную муфту 17. В результате открытия электроклапана 13 на

лопатках турбины появляется перепад давлений (давление перед турбиной соответствует давлению насыщенных паров, на выходе турбины равно- атмосферному), рабочее тело на выходе из лопаток турбины

при внезапном расширении газифицируется и истекает в емкость 6.- Ротор турбины передает крутящий момент коленчатому валу 3 через редуктор 5.. При срабатывании электромагнитной муфты 1в крутящий мо5 мент от ротора турбины передается также валу компрессора 7 через редуктор 15. На выходе из турбины в емкости 6 происходит сбор газожидкостной фазы рабочего тела, которую компрессор 7 сжимает и подает в емкость-теплообменник 10. При сжатии рабочего тела на выходе .из компрессора происходит его конденсация, что существенно уменьшает потребляемую мощность на валу компрессора по сравнению с мощностью турбины 4. (в замкнутом контуре расход и давление рабочего тела для турбины и компрессора одинаковы)..

При включении зажигания (для карбюраторных двигателей) одновременно запускается и силовой агрегат двигателя, для дизеля одновременность запуска силового агрегата обеспечивается автоматически при сжатии воздушно-топливной смеси в цилиндрах.

В результате расширения .и сжижения рабочего тела на выходе из турбины существенно снижается его температура (на экспериментальной турбине при испытаниях на углекислоте температура на выходе из турбины понижалась до-78°С), которая восстанавливается после сжатия на выходе из компрессора и дальнейшего нагрева в емкости-теплообменнике 10, в трактах охлаждения блока цилиндров 11 и теплообменных трактах 12 картера.

Количество и расход охладителя - сжиженного газа рассчитывают таким образом, чтобы обеспечить надежное охлаждение двигателя и работу турбины на жидкостной фазе рабочего тела, которая поступает на лопатки турбины, добавляя энергию коленчатому валу 3 через редуктор 5. Замкнутый утилизационный контур работает непрерывно. Оптимальный тепловой режим работы двигателя возможно установить регулированием расхода рабочего тела на турбину.

При работе утилизационного контура реализуется один из вариантов цикла Ре- нкина с полной конденсацией рабочего тела.

В качестве резервного варианта можно осуществить турбинный запуск включением электроклапанов 13 и 14, при этом незначительная часть рабочего тела выбрасывается в окружающую среду. Этот вариант требует дозаправки системы через довольно значительное количество включений.

Выключение карбюраторных двигателей производят выключением зажигания, а дизелей - одним из известных способов (включением декомпрессии, прекращением подачи топлива и т.п.). Одновременно подают команду на снятие электрического напряжения с электроклапана 13, в результате его ротор турбины 4 через некоторое время останавливается, снимают электрическое напряжение с электромагнитной муфты 17, что приводит к разъединению валов компрессора 7 и редуктора 15, При этом одновременно соединяют валы компрессора 7 и электромотора 8 включением электромагнитной муфты 16. В течение некоторого времени приводимый электромотором 8 5 компрессор 7 продолжает нагнетать рабочее тело в емкость 10, одновременно отсасывая его из емкости 6 и турбины 4 до качественного их опорожнения, после чего подают команду на выключение электромо10 тора 8 с одновременным рассоединением валов компрессора 7 и электромотора 8.

Таким образом, рабочее тело снова возвращается в часть замкнутого контура, в которую было первоначально заправлено.

5 Двигатель готов к повторной работе с организацией турбинного запуска по описанной выше схеме.

Проведенные расчеты для охлаждения углекислоты показывают, что добавочную

0 мощность получают за счет использования тепловых потерь, последняя составляет существенную величину, в результате чего может быть уменьшен расход топлива (при обеспечении заданной мощности).

5 Таким образом, применение предложенного двигателя внутреннего сгорания обеспечивает повышение экономичности за счет утилизации тепловых потерь и уменьшение вредного экологического воздейст0 вия за счет уменьшения количества выхлопных газов без изменения мощности двигателя,

При этом исключается перегрев двигателя, образование накипи или окисление в

5 трактах охлаждения.-двигателя при использовании, например, инертной углекислоты, уменьшается потребная мощность аккуму- ляторной батареи, появляется возможность использования охладителя в качестве рабо0 чего тела пожаротушения (при использовании углекислоты), используется турбинный запуск без потерь рабочего тела. .

Формула изобретения 5 Двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров с картером, имеющим рубашку охлаждения, головку . цилиндров с полостью охлаждения, маги- .страль выпуска отработанных газов, ус- .0 тановленный в ней теплообменник, утилизационную турбину, ротор которой через редуктор кинематически связан с коленчатым валом двигателя, емкость сбора теплоносителя и по меньшей мере один об- 5 ратный клапан, установленный на входе в теплообменник, причем рубашка охлаждения блока цилиндров, полость охлаждения головки цилиндров, теплообменник, утилизационная турбина,емкость сбора теплоносителя и обратный клапан соединены

последовательно с образованием замкнутого контура циркуляци-и теплоносителя, о т- личающийся тем, что, с целью повышения экономичности-, он снабжен компрессором подачи теплоносителя, дополнительным редуктором,; электромотором, аккумуляторной батареей, двумя экранированными электромагнитными муфтами и двумя отсечными электромагнитными клапанами, причем компрессор установлен в замкнутом контуре циркуляции теплоносителя между емкостью сбора теплоносителя и обратным клапаном, вал компрессора кинематически связан через дополнительный редуктор и первую электромагнитную муфту с ротором утилизационной турбины и подключен через вторую электромагнитную муфту к электромотору,.емкость сбора теплоносителя снабжена отводным патрубком с установленным в нем первым отсечным клапаном, второй отсечной электромагнитный клапан размещен на входе в

утилизационную турбину, обратный клапан выполнен электромагнитным и электромагнитные клапаны и электромотор подключены к аккумуляторной батарее.

Изобретение позволяет повысить эффективность двигателя внутреннего сгорания1. Двигатель внутреннего сгорания содержит собственно двигатель, состоящий из силового агрегата 1, выхлопного коллектора 2, коленчатого вала 3 и прочих известных элементов (системы подачи топлива, смазки, вентиляции и т.п.), а также замкнутый утилизационный контур, заправленный рабочим телом - сжиженным газом, например углекислотой, одновременно являющимся охладителем (вместо обычного охладителя типа Тосол), состоящий из последовательно соединенных магистралями турбины 4, ротор которой через редуктор 5 кинематически связан с коленчатым валом 3, емкости сбора газожидкостной фазы рабочего тела 6, компрессора 7 с электромотором 8, обратного клапана 9,-емкости- теплообменника 10, размещенного на выхлопном коллекторе 2, трактов охлаждения блока и головки цилиндров 11, теплообменных трактов картера 12. электромагнитных клапанов 13 и 17. При этом ротор турбины 4 кинематически соединен с валом компрессора 7 через редуктор 14, вал компрессора соединен с валами электромотора 8 и редуктора 14 экранированными электромагнитными муфтами 15 и 16 соответственно. Электроклапаны 13,17 и электромотор 8 электрически запитаны от аккумуляторной батареи. Магистраль 18 соединяет компрессор 7 с емкостью-теплообменником 10. магистраль 19 теплообменные магистрали картера 12 с турбиной 4 через злектроклапан 13. В предложенной конструкции сжиженный газ, работая по замкнутому газодинамическому циклу с фазовыми превращениями, жидкость - пар - жидкость, является одновременно охладителем двигателя, Рабочим телом турбины является жидкостная фаза охладителя, Положительный эффект предложенного двигателя состоит в повышении экономичности за счет утилизации тепловых потерь. 1 ил. (Л

А. J

11

W