Изобретение относится к энергетике с преимущественным использованием в автомобилестроении и тракторостроении, надводных плавсредствах и малой авиации,
Известна силовая установка, реализующая способ рекуперации тепла в двигателе внутреннего сгорания, характеризующая тем, что к термодинамическому циклу двигателя внутреннего сгорания (ДВС) добавляется второй термодинамический цикл, содержащий конденсируемое некристаллическое вещество, такое как бутан, пропан, петан или другие, разогревое выхлопными газами двигателя, увеличение объема которого используется для создания движущей силы. Устройство, позволяющее работать по указанному способу, содержит в сочетании с ДВС теплообменник, в который направляются выхлопные газы двигателя и в
котором нагревается конденсируемое вещество, и паровую установку, в которой происходит расширение указанного вещества.
Однако этот способ не исчерпывает возможностей использования вторичных тепловых ресурсов ДВС, так как препола1ают процесс рекуперации тепла вне камеры сгорания.
Известен двигатель внутреннего сгорания, который содержит компрессорную и расширительную части, связанные через выносную камеру сгорания. Двигатель снабжен роторным клапаном, отделяющим выносную камеру сгорания от компрессорной части, и клапаном, закрытым пружиной, отделяющим выносную камеру сгорания от расширительной части ДВС,
Общими недостатками конструкции компрессора и двигателя являются склады Ч
сл
00
ю о N
вающиеся телескопические лопасти, использование роторного клапана для связи компрессорной части с выносной камерой сгорания, а также наличие клапана камеры сгорания, закрытого пружиной и отделяющего ее от расширительной части. Применение телескопических лопастей связано с потеря мощности на трение между звеньями в лопастях. Использование роторного клапана создает неразрешимое противоречие, так как рабочий ходи заполнение камеры сгорания воздухом определяется прямой зависимости. Наличие неуправляемого клапана в камере сгорания, закрытого пружиной, настроенной на определенный уровень противодействия расширению продуктов сгорания, также связано с потерями мощности.
Целью изобретения является повышение КПД силовой установки за счет использования вторичных тепловых ресурсов в результате взаимодействия двух рабочих тел (продуктов сгорания и пара) на такте их расширения в ДВС или в паровой утилизационной машине. Одновременно достигается улучшение экологичности силовой установки и использование различных сортов топлива.
Указанная цель достигается тем, что в предлагаемой силовой установке роторный двигатель внутреннего сгорания и роторная паровая утилизационная машина, сидящие на одном валу, связаны между собой термодинамическим циклом и сообщены между собой при помощи перепускного канала, снабженного управляемым органом перекрытия, область подмешивания пара к продуктам сгорания или продуктов сгорания к паоу через перепускной канала осуществляется через 40-80°С поворота ротора ДВС в процессе расширения продуктов сгорания, с целью использование различных сортов топлива, количество сжимаемого воздуха в каждом цикле регулируестя и управляется клапаном, компрессорная и расширительная части силовой установки разделены, причем компрессорная часть выполнена в виде двухступенчатого компрессора воздуха, обеспечивающего предварительное сжатие воздуха в основной камере сгорания и предкамере до выбранного значения, куда в процессе сжатия подается и распыленное топливо, и воспламенение этой смеси через предкамеру сильно сжатой порцией воздухом второй ступени компрессора, определяемую на время воспламенения клапаном от основной камеры сгорания, происходит дожигание продуктов сгорания в расширительной части, продувка предкамеры и камеры воспламенения свежей порцией воздуха перед каждым циклом.
На фиг. 1 изображена упрощенная схема силовой установки, имеющей роторную паровую утилизационную машину и роторный двигатель внутреннего сгорания; на
фиг. 2 - роторный двигатель внутреннего сгорания, поперечный разрез; на фиг. 3 - двигатель внутреннего сгорания, продольный разрез, и-область расширения пара в паровой утилизационной машине и его
0 связь с перепускным каналом; на фиг. 4 - устройство регулирования степени сжатия, продольный разре; на фиг. 5 - круговая диаграмма одного цикла работы силовой уста- новки; на фиг. б - функциональная
5 электрическая схема управления степени сжатия и взаимодействием рабочих тел (пара и продуктов сгорания).
Силовая установка (фиг. 1} содержит роторный двигатель 1 внутреннего сгорания,
0 состоящий из расширительной части 2 и двухступенчатого компрессора 3, связанных между собой через устройство 4 регулирования давления компрессора 5 первой ступени сжатия в основной камере 6 сгора5 ния и в предкамере 7. Через вал 8 вторая ступень 9 компрессора связана с первой, а по воздуху подключена к фотокамере 8, отделяемой от основной камеры сгорания клапаном 10 на момент подачи в нее сильно
0 сжатого воздуха для воспламенения горючей смеси.
Двигатель внутреннего сгорания имеет два контура теплообмена, по одному из которых продукты сгорания между внутрен5 ней 11 и второй оболочкой аккумулятора-термостата 12 через регенеративный теплообменник 13 поступают в атмосферу. Выход роторного двигателя 1 внутреннего сгорания через перепускной
0 канал 14 связан также с паровым роторным двигателем 15, выход которого через конденсатор 16, насос 17, парогенератор 18, регенеративный теплообменник 13, через аккумулятор-термостат 12, через переключа5 тель 19 пара замыкает второй контур теплообмена на паровой роторный двигатель 15. Роторный двигатель 1 внутреннего сгорания (фиг. 2) выполнен в корпусе 20 с двумя цилиндрическими полостями в кото0 рых располагаются кольцевые роторы 21 и 22 со своими лопастями и представляют собой расширительную и компрессорную части, связанные механически и сообщаемые между собой через составную камеру сгора5 ния, а через перепускной канала 11 с роторной паровой утилизационной машиной. В расширительной части двигателя лопасть 23. 24 выполнена как одно целое с кольцевым ротором 21 и через стыковочный узел 25, располагаемый в цилиндре 26 свободного аращения 26, находящегося эксцентричного относительно оси вращения кольцевого ротора 21, закрепленного с одной стороны в боковой крышке, расширительной части двигателя, а с другой - а неподвижном стакане 27 (фиг, 3}, совместно с поршнем 28 представляет собой радиально- поршневой компрессор, имеющий изменяющийся обьем 29, связанный с одной стороны с атмосферой по каналам 30-32, а с другой стороны через радиальное, периодически перекрываемое штоком 33 отверстие, с объемом 34, сообщаемое через окно 35, канал 33 с полостью расширения 37, которая через окно 38 в передней крышке двигателя связана с основной камерой 7 сгорания через окно 39,направленное в сторону скошенных окон 40-51, выполненных ;ю заданному профилю. Полость 37 расширения при помощи перепускных каналов 14 и 52 связана с полостью 53 расширения пэря роторной паровой утилизационной машины 15, а через окно 54 - с атмосферой воздуха через аккумулятор-термостат и регенеративный теплообменник, причем перепускной канал 14 снабжен органом перекрытия, выполненного в виде заслонки 55 (фиг. 30, управляемой двигателем 56 для перекрытия окон 57-60 кольцевого ротора 21 (фиг 2), выполненного заодно с валом 61 роторной паровой утилизационной машины 15, имеющей шестерню 62 для связи с нагрузкой. Основная камера
7сгорания и предкамера 8 связаны между собой каналом 63, выполненным с возможностью переодического перекрытия его клапаном 10. Если основная камера 7 сгорания через клапан 64 имеет периодическую связь через устройство для регулирования давления сжатия с областью 65 сжатия первой ступени компрессорной части, то предкамера
8периодически подключается к второй ступени. Оба клапана 10 и 64 связаны с компрессорной частью через кулачки 66 и 67. Устройство для регулирования давления сжатия выполнг-ю в виде окон 68-70 ползуна 71, имеющего направляющую неподвижную пластину 72, связанного с одной стороны через червячную передачу с шаговым двигателем 73, а с другой стороны, через регулируемые ползуном размеры окна 74, с полостью сжатия 65, через окно 74, канал 75 (фиг. 4), клапан 64 - с основной камерой 7 сгорания. Средство подачи топлива выполнено в виде форсунки 76, располагаемой в области канала 63, связывающего обе части составной камеры сгорания. Окна 68-70 выполнены перед лопастью наклонными, соединяющими полость 65 сжатия компрессорной части 3 с
его торцовой поверхностью, проходящей мимо регулируемого окна 74.
Лопасть 75 второй ступени компрессорной части 4 выполнена с возможностью образования полости 65 сжатия и всасывающей области 77 через стыковочный узел 78. располагаемый в цилиндре 79 свободного вращения, закрепляемого одним концом t неподвижном стакане 80 (фиг. 3), а другим - в
боковой крышке компрессорной части двигателя, находящегося эксцентрично относительно оси ечащения кольцевого ротора 22, совместно с поршнем 81, представляют собой ра диально-поршневой компрессор второй ступени, выполненный с возможностью периодического заполнения атм осферным воздухом по канал м 82 и 83, связанным с областью 77 всасывания каналом 84, а по каналу 85 через каналы 86-8S - с объемом
90 сжатия, а также с возможностью заполнения объема 90 сжатия предварительного сжатым воздухом через периодически раскрываемое и закрываемое окно 91 поршнем 81 в лопасти 76. Окно 92 имеет связь с предкамерой 8 только в момент совпадения окна 92 и канала 93.
Устройство по удалению продуктоа сгорания из составной камеры сгорания выполнено в виде заполняемого воздухом в
начале сжатия объема продувки 94 через канал 95. Фаза продувки определяется длиной канала 95, соединяющего полость сжатия 65 через вырез 96 в выступе 97.
Силовая установка снабжена задающей
электронной схемой (фиг. 6), которая управляет исполнительными шаговы ми двигателями 56 и 73. Уплотнения цилиндров 26 и 79 свободного вращения расширительной и компрессорной части выполнено в виде пластин 98 и 99. Расшительная часть двигателя снабжена дренажным 100 полостью 101 сжатия передлопастью 24.
Силовая установка работает следующим образом.
Запуск установки произродится ротЪр- ной утилизационной машиной при помощи переключателя 19 пара, сообщающего паровую машину с аккумулятором-термостатом
12 пара и далее через теплообмеяник с парогенератором.
При пусхе подача пара в паровую машину производится постепенно. Открывая доступ пара, приводим во вращение вал
паровой машины, представляющий одно целое с кольцевым ротором 21 расширительной части двигателя внутреннего сгорания, а через него кольцевой ротор 22 компрессорной части двигателя, содержащий двухступенчатый компрессор. Первой ступенью компрессора через скошенные окна 68-70, регулируемое по длине окно 74 и клапан 64 производят заполнение основной камеры 7 сгорания и предкамеры 8 сжатым воздухом.
Впрыск топлива в камеру сгорания производится в начале ее заполнения сжатым воздухом, что обеспечивает горючей смеси качественное перемешивание, распыление и нагрев.
Сжатие воздуха в камере сгорания ограничивается температурой воспламенения выбранного сорта топлива и осуществляется через устройство регулирования давления сжатия электронной схемой (фиг. 6) через ис- полнительный шаговый двигатель 73. Воспламенение горючей смеси начинается в предкамере 8, которая перед воспламенением кратковременно отделяется от основной камеры 7 сгорания клапаном 10 при помощи кулачка 66. Такое отделение основной камеры 7 сгорания от предкамеры 8 обеспечит надежное воспламенение предварительно сжатой, обогащенной связи сжатым воздухом в предкамере 8 второй ступенью компрессорной части.
Заполнение воздухом объема 90 сжатия в радиально-поршневом компрессоре происходит поэтапно: расширение объема 90, всасывание атмосферного воздуха, после- довзтельное перекрытие канала 82 и окна 91, связывающего объем 90 и полость 65, после прохождения максимального значения объема 90.
Момент перекрытия окна 91 зависит от положения окна 91 на лопасти 76. После разделения объема 90 сжатия и полости 65 поршнем 81 объем сжатия первой ступени регулируется положением передней границы ползуна 71, а объем сжатия второй сту- пени всегда фиксирован. Его изменение заканчивается при совпадении окна 92 в лопасти 76 и канала 93, подключающего предкамеру 8 к объему сжатия 90 второй степени. Начало и конец заполнения ежа- тым воздухом камеры сгорания зависит от размеров кулачка 67 и заканчивается за границей максимального сжатия, определяемого конструкцией.
воспламенение горючей смеси в пред- камере 8 и далее в основной камере 7 совпадает с моментом прохождения лопасти 24 окна 39, основной камеры 7 сгорания и с заполнением сжатым воздухом начального участка полости 37 расширения через кана- лы 35 и 36 с объема 34. С раскрытием окна 39 при его совпадении с первым скошенным окном 40 кольцевого ротора происходит выброс обогащенных продуктов сгорания с камеры сгорания через окно 38 в область расширения, куда поступил сжатый воздух с объема 34.
Происходит интенсивное доокисление продуктов неполного сгорания топлива, их расширение, совершение работы и через окно 54 на выход, отдавая тепло аккумулятору-термостату пара и теплообменнику.
После прохождения лопасти 24 перепускного канала 14, располагаемого на границе практически полного сгорания топлива через 40-80° поворота кольцевого ротора 21 от окна 39, работа двигателя будет определяться положением заслонки 55 в перепускном канале 14 и давлением пара паровой машины.
При закрытой заслонке 55 двигатель и паровая машина могут работать независимо или совместно или с отключенным одним из агрегатов.
При раскрытии заслонки, перепускного канала 14 в зависимости от давления пара происходит или подмешивание пара в полость 37 расширения, двигателя внутреннего сгорания внутреннего сгорания или подмешивание продуктов сгорания к пару в полость 53 расширения пара паровой продуктов сгорания к пару в полость 53 расширения пара паровой машины 15, что позволит увеличить работу силовой установки и улучшить экологичность цикла, а наличие устройства для регулирования сжатия горючей смеси, улучшит ее экологичность и экономичность.
Величина раскрытия перепускного канала 14 заслонкой 55 осуществляется шаговым двигателем 56 и управляется электронной схемой (фиг. 6), продолжительность подмешивания пара к продуктам сгорания или наоборот - окнами 57-60, находящимися на кольцевом роторе 21.
Для очистки от продуктов сгорания предкамеры 8 и основной камеры 7 сгорания используется сжатый воздух объема продувки 94 при прохождении им канала 93 и предкамеры 8.
Формула изобретения 1. Силовая установка, содержащая роторный двигатель внутреннего сгорания и роторную паровую утилизационную машину, связанную между собой термодинамическим циклом, валы которых выполнены заодно, отличающаяся тем, что, с целью увеличения КПД, полости двигателя внутреннего сгорания и паровой машины сообщены между собой при помощи перепускного канала, снабженного органом перекрытия.
2.Установка поп. 1,отличающаяся тем, что роторный двигатель выполнен с кольцевым ротором, снабженным окнами, а орган перекрытия перепускного канала выполнен в виде заслонки для перекрытия окон в роторе, связанной с шаговым двигателем.
3.Способ работы силовой установки, заключающийся в том, что сжимают воздух, сжигают в нем топливо, используют энергию расширения продуктов сгорания в цилиндре двигателя внутреннего сгорания при повороте ротора для превращения в полезную работу, выпускают отработавшие газы в атмосферу, испаряют выпускаемыми газами воду и расширяют образовавшийся пар в цилиндре паровой машины с превращением энергии расширения в механическую работу, отличающийся тем что, с целью повышения КПД путем подмешивания продуктов сгорания к пару или пара к продуктам сгорания, при положении ротора двигателя внутреннего сгорания, составляющим 40- 80° поворота, в процессе расширения сообщают между собой цилиндр двигателя и цилиндр паровой машины.
4.Двигатель внутреннего сгорания, содержащий компрессорную и расширительную части, связанные между собой через выносную камеру сгорания, отличзющий- с я тем, что, с целью повышения КПД. компрессорная часть выполнена в виде двухступенчатого компрессора, а выносная камера сгорания выполнена составной в виде основной камеры сгорания и предкамеры, причем предкамера подключена к второй
ступени компрессора и через клапан связана с основной камерой сгорания, а основная камера сюрания подключена к первой ступени компрессора через устройство для регулирования давления сжатия.
5.Двигатель по п. 4, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что устройство для регулирования давления сжатия выполнено в виде клапана, отделяющего основную камеру сгорания и предкамеру от первой ступени компрессора.
6.Способ работы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что цик лически производят сжатие воздуха, смеши вают его с топливом, воспламеняют и сжигают топливо и расширяют продукты сгорания для получения полезной работы, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, сжатие воздуха производят в две стадии, в процессе первой стадии сжатия большую часть воздуха отбирают и через устройство регулирования давлений сжатия подают для смешивания с топливом, полученную смесь делят между основной камерой сгорания и предкамерой, а во второй стадии дожимают меньшую часть воздуха, подают ее в форкамеру для воспламенения находящейся там смеси и образовавшиеся продукты сгорания смешивают со смесью в основной камере сгорания для дожигания воспламенения заключенной в ней смеси, совместного расширения продуктов сгорания и совершения работы, причем в каждом цикле отбиваемой частью воздуха производят продувку и очистку от продуктов сгорания предкамеры и основной камеры сгорания.
Изобретение позволяет повысить КПД силовой установки и КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Силовая установка содержит роторный двигатель внутреннего сгорания, роторную паровую утилизационную машину, которые сообщены между собой через перепускной канал, снабженный органом перекрытия, При повороте ротора ДВС на 40-80° в процессе расширения цилиндр ДВС сообщается с цилиндром паровой машины и в зависимости от режима, либо продукты сгорания из ДВС подмешиваются к пару, либо пар подмешивается к продуктам сгорания. ДВС разделен на компрессорную и расширительную части. Компрессорная часть выполнена в виде двухступенчатого компрессора. Из первой ступени часть воздуха отбирается и поступает в предкамеру и в основную камеру сгорания, где форкамеру для воспламенения топливовоздушной смеси. Часть воздуха he- пользуется для продувки предкамеры и камеры сгорания. 4 с. и 2 з.п.ф-лы, 6 ил.
12 11
конденсатор
90 92
76
9i
70
Фвг.2
22
84
Сиг.З
Обл. перенося сяатсго воздуха в доршне JJBCL
ЙОГОРЖУ: --
высокое
сжатия с лоцасти
Продув Katae- ры сгс
Начало цикла ЯД
LfflL
Входные яара-трь
уставов
Входное устройстве
Фиг.4
Обл. переключения комаре- Обл.расширения Jccope.
ПриД. СГОр.
Обл. подмешивания
Обл. расширения пара
Обл. взаимодействия рабочих тел
есор
фиг,5
