Двигатель внутреннего горения с вбрызгиванием нагретой воды и с конденсацией Советский патент 1924 года по МПК F02G5/00 

Предлагаемое изобретение имеет целью использовать и обратить в полезную работу двигателя отходящую теплоту; в сжатые газы вводится горячая вода для получения процесса ннутреннего парообразования в рабочем цилиндре. На фиг. 1 схематического чертежа двигатель, на фиг. 2-примерная диафамма, на фиг. 3, 4 и 5- видаизменения двигателя. Рабочий цилиндр 7 двигателя окружен подогреваемой им водой, заключенной в водяную рубашку 4 низкого давления (между цилиндром /, внутренней поверхностью 2 и телом 3). Вследствие сгорания в цилиндре топлива, развиваемая им теплота передается через стенки цилиндра воде водяной рубашки 4, которая и нагревается. В верхней части устроен сухопарник 5 (низкого давления) для того, чтобы процесс нафевания происходил при постоянном давлении. Для конТ(рО|Ля нагревания из сухопарника выведен (не показанный на чертеже) манометр. Нафетая в рубашке низкого давления до нужной темлературы вода при помощи соответствующего нагнетательного насоса вводится в сектор (рубашки высокого давления 6 офаниченной наружной поверхностью 10 калоризатора 9 и внутренней стенкой 77. Горючее вводится в калоризатор 9 при помощи клапана 14. В калоризаторе получается наивысшая температура, вследствие чего вода, находящаяся в секторе высокого давления, получает большое количество тепла, благодаря чему нафевание ее доводится до высокой температуры и давления. Для того, чтобы от сектора высокого давления теплота не передавалась в окружающую его рубащку низкого давления, между ними оставлена изолирующая прослойка 8. В секторе высокого давления имеется также сухопарник 7 высокого давления с соответствующим манометром. Нагретая до высокой температуры и до высокого давления вода подается в клапан 75 для вбрызгивания перегретой воды по трубке, проходящей внутри калоризатора 9 (не показанной на чертеже). Эта трубка является «перегревателем воды, в которой последняя перегревается до более высокой температуры и давления. Перефетая указанным образом вода вбрызгивается при помощи клаnaiaa в распыленном виде в калоризатор, в горячие (после сгорания топлива) газы, не в целях охлаждения, а в целях испарения внутри цилиндра. Обозначив через Pi и fi давление и температуру сжатых горячих газов, и через р и t давление и температуру перегретой воды, получается, что р PI и f (i. Вследствие уменьшения упругости (с р до ftj и последующего расширения) и вследствие приобретения нового количества тепла (повышение температуры с t до fi), и, благодаря перемешиванию частиц распыленной вбрызгнутой перегретой воды с горячими газами, оставшимися в цилиндре после сгорания горючего,- введенная таким образом перегретая вода, вследствие своего расширения, превращается в пар. Описанный процесс и является процессом внутреннего парообразования (в отличие от внешнего, когда пар получается в котле или в испарителе, и в готовом виде вводится в цилиндр), который и переводит часть тепла, уходящую через стенки цилиндра, и часть, заключенную в горячих газах- в полезную механическую работу. Процесс внутреннего парообразования происходит или в том же цилиндре, в котором происходит процесс внутреннего горения, или в другом «цилиндре внутреннего парообразования, работающем на общем валу, в который перегоняются из первого горячие продукты горения. В первом случае процесс внутреннего парообразования происходит или непосредственно вслед за процессом внутреннего горения (впуск перегретой воды вслед за окончанием горения), или выделяется отдельно от процесса внутреннего парообразования. В последнем случае после сгорания газообразные продукты расширяются (как и в двигателях внутреннего горения) и потом сжимаются обратным ходом поршня, так что перегретая вода вбрызгивается во вновь сжатые горячие газы, и таким образом процесс внутреннего парообразования дает самостоятельный рабочий ход поршня. Полученный после парообразования парогаз поступает или прямо в холодильник, или расширяется предварительно в соответствующих цилиндрах (машины многократного расширения). процессе внутреннего парообразования достигается в том же цилиндре не различными площадями поршней (как в паровых машинах многократного расши|рения), а различными обемами, описываемыми поршнем (фиг. 1 и 2). На примерной диаграмме (фиг. 2) изображен шеститактный комбинированный цикл, расчлененный на , две половины: верхняя представляет собой процессы внутреннего горения, нижняя - процессы внутреннего парообразования. Обе половины цикла помещены по обе стороны абсциссы, представляющей собой ось обемов Ov. Ордината РО продолжена вниз за точку О и представляет ту же ось давлений ОР. При всасывающем ходе аЬ поршень описывает полный обем V, при обратном ходе он при открытом клапане Ъс выталкивает часть засосанного до обема v (то-чка с); в этот момент клапан запирается (при помощи соответствующего распределения), после чего тем же ходом cd производится сжатие до обема Vg. Далее происходит горение жидкого или газообразного горючего (быстрое или медленное) и расширение прюдуктов сгорания до полного обема v (def). В конце расширения (в точке /) давление близко к давлению конца всасывания. Благодаря такому устройству дальнейшее сжатие (fg) продуктов сгорания до обема v не доходит до чрезмерно вькокой величины. В точке д открывается клапан Т5 и вбрызгивается перегретая вода. Получается описанный выше процесс внутреннего парообразования. В точке h вбрызгивание прекращается, и пар, смешанный с горячими газами, заимствуя от последних часть их теплоты, Двойное расШИрение при отдельном расширяется до точки г. Далее, при обратном ходе происходит выталкивание мятого парогаза или непосредственно в холодильник, или предварительно в следующий цилиндр низкого давления для дальнейшего расширения. Описанным образом получаются два рабочих хода на каждые 6 тактов. При соответствующих изменениях (например, нагнетание воздуха вместо всасывания) получаются циклы меньшего числа тактов. Особенность такого комбинированного раздельного цикла заключается в том, что, кроме более высокого использования теплоты, получаются: при расширении и последующем сжатии продуктов горения - полное сгорание топлива, при вбрызгивании перегретой воды, и при перемешивании пара с горячими газами, температура внутри становится ниже; при выпуске .из цилиндра части засосанного воздуха (по линии be диаграммы) получается некоторое проветривание его. В виду малых обемов водяной рубашки низкого давления и сектора высокого давления, устраивается автоматическое питание котла при постоянном уровне. На фиг. 3 показана часть котла и сухопарника с паровым (сверху) и ВОДЯНЫЛ1 (снизу) пространством. На воде плавает поплавок 19, установленный в определенной плоскости при помощи стержня 20, свободно вращающегося вокруг цапфы 21, находящейся при стенке сухопарника. К этому стержню свободно прикреплен при помощи цапфы 22 шток клапана 23 или золотника. В паровом пространстве в стенке сухопарника имеется паровое окно (или вырез в зеркале) с соответствующим седлом для клапана 23. Это окно соединено паровой трубкой 25 с золотниковой коробкой 26 соответствующего питательного насоса. Действие этого приспособления следующее: когда уровень в котле понизится, поплавок, понизившись, сдвинет шток клапана или эолотника, клапан 23 откроется, и пар по трубке 25 войдет в золотниковую коробку 26, далее через соответствующее окно 27 по каналу в ту или другую полость цилиндра парового насоса, который автоматически, будучи указанным образом приведен в действие, накачивает воду в котел до тех пор, пока уровень ее в котле не поднимется до требуемой высоты. Тогда поплавок поднимется, клапан 23 закроется, и насос перестанет подавать воду. На фиг. 3 показана схема такого устройства с клапа1ном. Золотниковое устройство делается так же, только вместо клапана окно прикрывается золотником. Как поплавок, так и стержень и шток мОГут быть любой формы и весь- механизм может бьггь расположен иначе или усложнен введением нужных тяг и рычагов, а также вместо поршневого насоса может быть поставлен иной. Таким образом, не имеется никаких выведенных из котла наружу подвижных частей (например, штоков, двигающихся с боль1.иим сопротивлением через сальники), так что исключена возможность «капризничания поплавка, так как нет застревания, заедания, прикипания и, кроме того, нет просачивания пара. Двигатель имеет три тепловых состояния: низкое, нормальное и высокое. Первое состояние характеризуется недостаточным нагреванием воды (например, при пуске s ход), благодаря чему не может получиться полного парообразования. В таком случае двигатель автоматически работает циклом внутреннего горения. При нормальном тепловом состоянии он работает комбинированным циклом (внутреннего горения и внутреннего парообразования), как было описано выше. При высоком тепловом состоянии, когда в перегретой воде тепловой энергии более чем достаточно для комбинированного цикла, горючее выключается и двигатель работает одним паром. Это достигается при помощи автоматического парового распределения, суть которого заключается в следующем (фиг. 4). Из сухопарника по трубе 30 пар подводится к цилиндру 29, в котором находится упорка-поршень 31. Последний своим свободным концом упирается в распределительный валик 32, на котором насажены, соответствующей длины и профили, распределительные кулачные шайбы 33 и шестерни 38, соответствующие требующимся тактам цикла, передающие вращение распределительному валу. Противололож-ный конец этого вала испытывает противодавление (например, со стороны упорки 35, на которую давит пружина 36, упирающаяся о неподвижную опору 37, или при помощи иного противодавления, приложенного к валу). Действие этого автоматического парового распределения следующее: при низкой тепловом состоянии, когда вода недостаточно нагрета, противодавление давит на распределительный вал вдоль его оси в сторону цилиндра 29. Под распределительные рычаги клапанов подставляются кулачные щайбы сторонами, ближайщими к противодавлению. Эта сторона каждой щайбы имеет срою соответственную профк;к. - круглую, или с кулаками. В первом случае этот клапан не работает (например, водяной). Под рычаг топливного клапана в то же время подставлена такая же сторона, но с соответствующим кулаком максимальной 1профили, благодаря чему в этом положении вала работает топливо (более усиленно, чем при нормальном положенииг, соответствую1щем нормальному тепловому состоянию). Цикл получается внутреннего горения. То же самое относится и к остальным расГфеделительным механизмам. При нагревании в котле воды, в сухопарнике начинает образовываться пар, который приобретает упругость, и, попадая в цилиндр 29 по трубе 30, он тем самым оказывает давление на упорку 31, которая, в свою очередь, перемещает распределительный вал вдоль его оси в сторону противодавления. При этом кулачные шайбы подставляются под распределительные рычаги своими средними профилями с соответствующими неровностями. С увели1че«ием в котле температуры и давления, впуск перегретой воды в цилиндр будет постепенно увеличиваться, а впуск топлива постепенно уменьшаться до тех пор, пока при соответствующем давлении, оно не будет выключено, и тогда, т.-е при высоком тепловом состоянии, двиатель будет работать паром. При поижении теплового состояния протиодавление пересиливает давление паа на упорку, вал перемещается в стоону противодавления, и все процесы постепенно изменяются в обратном порядке. При таком автоматическом паровом распределении количество вводимого горючего строго соответствует тепловому состоянию, так как кулачные шайбы имеют прйфилй кулаков, изменяющихся посгепенно rio длине, при чем таковые для Водь и горючего строго соответствуют Друг другу. Благодаря этому, под каким бы теплйвым состоянием двигатель ни работал, ему обеспечена полная равномерность работы при строго экономическом расходе горчочего. лированйой водой, nojfy ak)EueffcH в особом холодильном сепараторе. Действие его видно из схемы фиг. 5, на которой все процессы выделены О1 дельно: выхлопной горячий парогаз по трубе 39 выталкивается через адиабатическую насадку 40 в конденсатор 4J, в котором находятся охлаждающие поверхности с протекающей холодной водой. Вследсгййё {Разрежения удар выхлопа па|ралйзуе ся быстрым расщирениём парогаза во всё стороны, и сопротивление выхлопу уменьшается. Благодаря расширению парогаза при выталкивании его через адиабатическую насадку, а также и соприкосновению его с охлаждающими поверхностями 42, часть пара конденсируется и стекает на дно конденсатора, где собирается нечистая вода. В верхней части конденсатора устроен «уловитель 43, в KOTOf 6M циркулирует холодная вода, так что несконденсировавшиеся частицы пара, охлаждаясь, осаждаются на нем и также стекают или падают на Дно. Таким образом получается полная конденсация не только полученного от njtoqecса внутреннего парообразования пара, но и имеющегося таково гЬ 5ке в продуктах горения топлива. Из конденсатора продукты горения, главным образом СОз, выкачиваются насосом 44, действующим приводом от двигателя, предварительно охлаждаясь сначала Рубашка пйта;ется нагретой яiecтил- 5 - холодной водой в аппарате 45, потом испаряющейся жидкой углекислотой в аппарате (углекислой камере) 46, после чего они насосом 44 или компрессором под сильным давлением, не ниже критического, нагнетаются в резервуар 47, где СОз охлаждается, в свою очередь, холодной водой в резервуаре 48, благодаря чему газообразная СО, сгущается в жидкость. Эта последняя, испаряясь в аппарате 46, охлаждает выкачиваемую предварительно охлажденную в аппарате 45 газообразную СО. и пар. Испаренная ГОз в аппарате может быть использована дальше. Из конденсатора 41, собранная на дне, вода с посторонними примесями выкачивается насосом 50. При этом происходят следующие процессы: благодаря разрежению в конденсаторе (охлаждение, выкачивание газов и пара) - с одной стороны, и непосредственному влиянию горячего выхлопного парогаза на трубки, по которым производится описываемое выкачивание воды, температура последней в этих трубках повышается, благодаря чему в них происходит кипение воды при низком давлении; таким образом из конденсатора выкачивается не вода, а пар, который по пути к насосу охлаждается последовательно холодной водой в резервуаре 49 и потом в аппарате 46, так что пар конденсирует воду. Таким образом получается чистая дистиллированная вода, необходимая для питания котла при процессе внутреннего парообразования. Далее эта вода, охлаждая газы и пар, сама, в свою очередь, нагревается и в нагретом состоянии поступает в рубашку. Все приведенные в схеме процессы могут происходить и в ином порядке в одном холодильном сепараторе, при чем охлаждение и нагревание паров и газов происходит встречными токами при помощи соответствующих давлений - низких и высоких, производимых соответствующими насосами в целях пользования критическими давлениями и температурами для газов. Кроме того подогревание питательной воды производится охлаждением прочих нагретых поверхностей, как-то поршень и пр. Таким образом происходит использование теряемой в разных частях установки теплоты при помощи охлаждения и нагревания в соответствующих частях воды, пара и газа, пользуясь углекислотой как газообразной, так и жидкой; при этом получается, как побочный продукт, углекислота. Рубашка двигателя окружена снаружи изолирующим веществом, или воздушной рубашкой, так что в последнем случае теряемая лучеиспусканием теплота передается воздуху, обтекающему его горячие пове1рхности. Этот подогретый воздух всасывается в цилиндр для процесса горения. Теплота воздуха также используется в цилиндре двигателя. 1.Двигатель внутреннего горения с вбрызгиванием нагретой воды и с конденсацией, характеризующийся тем, что водяная рубашка 4, служащая для предварительного нагревания воды, снабжена сухопарником 5, охватывающим рубашку 6 калоризатора 9, служащую для дальнейшего нагревания воды, подаваемой в нее насосом из рубашки 4 и отсюда в калоризатор через клапан 75, при чем между сухопарниками 5 и 7 остается воздушное пространство и рубашки 4 и сухопарник 5 охватываются воздушной рубашкой 51, 52 (фиг. 1). 2.Видоизменение охарактеризованног в п. 1 двигателя, отличающееся применением поплавкового регулятора 79, 20 уровня воды в рубашке, впускающего клапаном 23 по трубе 25 пар в золотниковую коробку питательного насоса (фиг. 3). 3.Видоизменение охарактеризованного в п. 1 двигателя, отличающееся применением регулирующего механизма, состоящего из валика 32 (фиг. 4) с распределительными кулаками, расположенного между упоркой 35 с пружиной 36 и упоркой 31, двигающейся в цилиндре 29, в который подводится пар по трубе 30. 4.Видоизменение охарактеризованного в п. 1 двигателя, отличающееся ПРЕДМЕТ ПАТЕНТА. применением конденсатора 41, откуда газы выкачиваются насосом 44 при охлаждении их в аппаратах 45 и 46 и при сгущении COj в резервуаре 47, вода же из конденсатора выкачивается насосом 50 при охлаждении ее в аппаратах 49 т 46 и подается через резервуары 49, 48, трубку конденсатора и аппарат 45 в рубашку двигателя (фиг. 5).

Типо-аитогряфин «Красный Печатник, Лопинг1)ад, Международний, 75