ТЕПЛОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА С ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО ГОРЕНИЯ Советский патент 1927 года по МПК F01B23/02 

При передаче энергии сжатым воздухом, главнейшей потерей является потеря, вследствие охлаждения воздуха в трубопроводе на пути от компрессора к потребляющему сжатый воздух аппарату (двигатель сжатого воздуха, пневматический молот, цилиндры локомотива и пр.). Наоборот, если повысить температуру сжатого воздуха по выходе из компрессора, то энергия сжатого воздуха возрастает в пропорции абсолютных температур. Предлагаемое изобретение имеет целью получить экономичную работу тепловой установки с двигателем внутреннего горения.

На фиг. 1-3 схематического чертежа поясняется действие предлагаемой тепловой установки с двигателем внутреннего горения, на фиг. 4 изображено предлагаемое устройство, на фиг. 5, 6 и 7 - три его видоизменения, на фиг. 8 изображена схема четырехцилиндрового двухтактного двигателя, двойного сжатия и расширения, осуществляющего систему с промежуточным отводом части газов по видоизменению, согласно фиг. 6, и на фиг. 9 изображено примерное устройство пневматического тепловоза по системе с промежуточным отводом части газов.

В предлагаемом изобретении применяется промежуточный отвод газов от двигателя (фиг. 1 и 2). Термодинамически выгодно, если часть газов выпускается из цилиндра двигателя на линии расширения при давлениях, превосходящих давление в котле, куда подается компрессором сжатый воздух. Выпуск части газов из цилиндра двигателя может быть произведен при помощи специального клапана (или золотника, крана и т.п. органов), расположенного либо в крышке двигателя, либо через отверстие в стенке цилиндра. Весьма выгодным является выпуск при υ=const, (фиг. 1), так как истечение газов в котел через щели или клапан происходит большею частью при давлении выше критического и потому, как известно, со скоростью звука, вследствие чего, время соприкосновения горячих газов с охлаждаемыми стенками крайне коротко и это способствует тому, что тепловые потери при перепуске и нагрев перепускных органов в двигателе будут минимальными; этому способствует также понижение температуры газов при истечении, вследствие перехода тепла в скоростную энергию; в котле же скоростная энергия газов обращается в тепловую и, таким образом, потери энергии не происходит; горячие газы, смешавшись в котле с более холодным воздухом, образуют смесь умеренной температуры, которая вследствие этого меньше теряет тепла через стенки. Выпуск газов при р = const, (фиг. 2) осуществляется проще всего в двигателе двойного сжатия и расширения (фиг. 3), в котором весь цикл двигателя разбивается на три цилиндра:

1) воздушный цилиндр (площадь 0-1-2-9);

2) сожигательный цилиндр (площадь 2-3-4-5);

3) расширительный цилиндр, (площадь 9-7-8-1-0).

Вообще, двигатель двойного сжатия и расширения является особенно подходящим для выполнения системы с промежуточным отводом части газов; отвод газов к котлу со сжатым воздухом может быть взят от трубы, по которой происходит перепуск газов из цилиндра высокого давления в цилиндр низкого давления. Если, например, произвести выпуск 50% газов при давлении в котле р=11 атм. абс. Т₅=1360° абс. ), площадь индикаторной диаграммы двигателя будет = 0,64 площади нормальной индикаторной диаграммы двигателя; поэтому, при том же механ. коэффиц., компрессор может подавать в котел лишь 0,64 кг вместо 1 кг. Количество возудха (при α = 1,75), работающего в двигателе = 0,57 кг, а количество смеси будет 0,570+0,0288=0,5928 кг. Температура смешения будет:

абс. t = 522°С).

Из всего тепла топлива переведено в энергию смеси:

т.-е. произойдет увеличение экономичности, по сравнению с системой без подогревателя в раза.

В зависимости от того, какая часть газов будет отведена и смешана с воздухом, зависит конечный результат: выбор диктуется соображениями о том, чтобы температура смеси не превосходила некоторого предела, допускаемого конструкцией потребляющего аппарата (цилиндры локомотива, цилиндры пневматич. молота и т.п.). Охлаждение смеси в трубопроводе по пути к месту потребления понизит конечную экономичность и потому с этим надо бороться устройством надлежащей изоляции труб и котла. Для примера допускается, что означенная система применена к тепловозу: пусть охлаждение в трубах и котле равняется 20% от разности температур смеси и окружающей среды, т.-е. = 0,2 (522-15)=102°С, т.-е. t = 522-102=420°С. Принимается, что прочие потери пневматической передачи (утечка через неплотности, сопротивление на пути и потеря от неполноты расширения в цилиндрах локомотива) оценены коэффициентом η_m=0,82, а механические потери в самом локомотиве η_m=0,85; тогда экономичность тепловоза будет

При очень длинных трубопроводах (на заводах) весьма подходящей системой является система с колоризатором при условии, что последний устраивается, по возможности, близко к месту потребления сжатого воздуха. Возможно также одновременное использование обеих систем, поскольку это допускается температурными условиями потребляющего сжатый воздух аппарата. Система с промежуточным отводом части газов уменьшает потерю тепла в отходящих газах двигателя, так как уменьшается их количество и соответствующее количество энергии переносится к месту потребления сжатого воздуха. В случае употребления двигателя с несколькими цилиндрами, вместо того, чтобы отводить часть газов из всех цилиндров, можно отводить их полностью из нескольких цилиндров двигателя, а остальным цилиндрам предоставить работать нормально с выпуском отработанных газов полностью в атмосферу. Те цилиндры, из которых газы будут отводиться полностью в котел, будут, таким образом, работать с противодавлением, равным давлению в котле; выпускной клапан их будет выполнять роль перепускного клапана. При применении двигателя двойного сжатия и расширения функции компрессора и воздушного цилиндра двигателя могут быть объединены в одно целое. Действительное количество цилиндров обусловливается конструктивными соображениями. При такого рода разделении цилиндров по функциям удобно изобразить главнейшие варианты системы с промежуточным отводом части газов.

В предлагаемой установке, согласно фиг. 4, воздух, сжатый до давления, несколько превышающего давление в котле, в компрессоре В (конструктивно их может быть несколько, работающих параллельно) направляется частью, непосредственно в котел К, частью в сожигательный цилиндр С двигателя внутреннего горения; продукты сгорания топлива по выходе из него делятся на два потока: один направляется в расширительный цилиндр Р, откуда отработанные газы выходят в атмосферу; другой поток вливается в котел и смешивается там с воздухом, вместе с которым и идет к месту потребления.

В видоизменении, согласно фиг. 5, весь воздух из компрессора В проходит через сожигательный цилиндр С, но часть воздуха, пройдя насквозь его, проходит непосредственно в котел, другая часть задерживается в нем и служит для сжигания топлива; продукты сгорания по выходе из него делятся также на два потока (частью в котел К, частью в цилиндр последовательного расширения Р).

В видоизменении, согласно фиг. 6, продукты горения идут полностью в котел К, откуда, по смешении с сжатым воздухом, часть их идет в цилиндр последовательного расширения Р, а остальная часть - в машину, работающую смесью сжатого воздуха и газа.

В видоизменении, согласно фиг. 7, сжатый компрессором В воздух идет в два цилиндра внутреннего горения С, продукты горения одного из коих идут в котел К и в машину, работающую смесью сжатого воздуха и газа, продукты же горения другого цилиндра С идут в цилиндр последовательного расширения Р.

Перепуск части газов в котел может быть сделан не в промежутке между сожигательным и расширительным цилиндром (т.-е. не на линии расширения цикла), а по выходе газов из расширительного цилиндра двигателя, забором части газов из выхлопного трубопровода (глушителя) и сжатием их особым компрессором до давления, не меньшего давления в котле. Этот вариант наименее целесообразен в конструктивном отношении, но в отдельных, частных случаях, он может быть применен к имеющейся уже установке, где другие варианты было бы применить затруднительно.

На фиг. 8 изображена схема четырехцилиндрового двухтактного двигателя двойного сжатия и расширения, осуществляющего систему с промежуточным отводом части газов по видоизменению, согласно фиг. 6. Котел разделен перегородкой на две части для отделения чистого воздуха от рабочей смеси и в виду некоторой разности давлений, нужной для продувки сожигательного цилиндра. Пуск в ход двигателя производится давлением в котле, расширительным цилиндром двигателя через его впускной клапан. Нагрузка уменьшается уменьшением подачи воздуха воздушного цилиндра, а также и изменением числа оборотов двигателя по желанию.

На фиг. 9 изображено примерное устройство пневматического тепловоза по системе с промежуточным отводом части газов. Два котла могут быть расположены над окнами; пространство под окнами может быть занято баками для топлива и для воды (охлаждение циркуляционное). Изменением пропорции потоков газов, текущих в расширительный цилиндр и котел, температура смеси, питающей цилиндры локомотива, может регулироваться по желанию.

1. Теплосиловая установка с двигателем внутреннего горения и с пневматической передачей работы, характеризующаяся (фиг. 1-4) тем, что часть сжатого компрессором В воздуха подается в котел К, а другая часть - в цилиндр двигателя внутреннего горения С, откуда часть продуктов горения, во время расширения в одном или нескольких последовательных цилиндрах, отводится в тот же котел К и, по смешении с воздухом, в машину, работающую смесью сжатого воздуха и газа, остальная же часть продуктов горения расширяется окончательно в цилиндре Р и выпускается в атмосферу.

2. Видоизменение охарактеризованной в п. 1 установки, отличающееся тем (фиг. 5), что сжатый компрессором В воздух подается целиком в цилиндр внутреннего горения С и часть его проходит в котел К, часть же служит для сожигания жидкого или газообразного топлива в цилиндре С, откуда продукты горения идут частью в котел К, частью в цилиндр последовательного расширения Р.

3. Видоизменение охарактеризованной в п. 2 установки, отличающееся (фиг. 6) тем, что продукты горения идут полностью в котел К, откуда, по смешении с сжатым воздухом, часть их идет в цилиндр последовательного расширения Р, а остальная часть - в машину, работающую смесью сжатого воздуха и газа.

4. Видоизменение охарактеризованной в п. 1 установки, отличающееся тем (фиг. 7), что сжатый компрессором В воздух идет в два цилиндра внутреннего горения С, продукты горения одного из коих идут в котел К и в машину, работающую смесью сжатого воздуха и газа, продукты же горения другого цилиндра С идут в цилиндр последовательного расширения Р.