КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение на полезную модель относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и может быть использовано для более полного использования энергии топлива, сжигаемого в поршневых ДВС.
Известны комбинированные двигатели, состоящие из поршневого ДВС и двигателя с внешним подводом теплоты для утилизации теплоты отработавших газов ДВС.
Известен комбинированный двигатель. (Патент на полезную модель RU №31611 U1 7 F02G 5/02, опуб. 20.08.03), содержащий поршневой ДВС и поршневой паровой утилизационный двигатель с внутренним парообразованием. В таком утилизационном двигателе горячие отработавшие газы ДВС попадают внутрь цилиндра. Затем газы сжимаются, их температура существенно повышается. При приближении поршня к верхней мертвой точке через форсунку в цилиндр впрыскивается вода. Происходит интенсивное парообразование. Пар перегревается и расширяется, производя работу. Вырабатываемая дополнительная механическая энергия, передается с помощью редуктора и гидромуфты на коленчатый вал ДВС.
Недостатками данной конструкции являются:
1. Сложность системы передачи энергии, вырабатываемой утилизационным двигателем, на коленчатый вал ДВС.
2. Большие массогабаритные показатели утилизационного двигателя, системы передачи энергии, вырабатываемой утилизационным двигателем, на коленчатый вал ДВС, а значит и комбинированного двигателя в целом.
3. Относительно низкий КПД, обусловленный значительными потерями на механическое трение в кривошипно-шатунном механизме утилизационного
двигателя и в системе передачи энергии, вырабатываемой утилизационным двигателем, на коленчатый вал ДВС.
Известен также комбинированный двигатель (Патент на полезную модель RU №35844 U1 7 F02G 5/02 опуб., 10.02.04), содержащий: поршневой ДВС с выпускным коллектором, тепловым аккумулятором и термоэлектрогенератор для утилизации теплоты отработавших газов ДВС. Термоэлектрогенератор содержит: свободнопоршневой паровой двигатель, работающий по двухтактному циклу и содержащий цилиндр, с впускным и выпускным окнами, обеспечивающими периодическую смену рабочего тела. В цилиндре размещены поршень-якорь и форсунка, через которую производится впрыскивание в цилиндр воды из бака. Под поршнем-якорем имеется буферная полость, заполненная воздухом. На верхней части цилиндра расположена электрическая обмотка для выработки электрической энергии.
Недостатками данного комбинированного двигателя являются:
- большой расход воды, необходимый для производства работы в результате ее испарения, превышающей механические потери в двигателе, что требует организации замкнутого контура циркуляции воды;
- значительные затраты энергии на организацию циркуляции воды и создания высокого давления для эффективного ее распыливания в цилиндре;
- серьезные проблемы, связанные с необходимостью создания системы очистки воды в замкнутом контуре ее циркуляции.
Данная конструкции комбинированного двигателя является наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и принята за прототип.
Задачей предложения является исключение воды в качестве рабочего тела и, как следствие, исключение:
- затрат энергии на организацию циркуляции воды и создание высокого давления для эффективного ее распыливания в цилиндре;
- проблем, связанных с необходимостью создания системы очистки воды в замкнутом контуре ее циркуляции.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в комбинированном двигателе, содержащем поршневой ДВС и свободнопоршневой термоэлектрогенератор двойного действия для утилизации теплоты отработавших газов, включающий: цилиндр, закрытый сверху и снизу крышками, в котором перемещается поршень-якорь, каждая крышка содержит пневматическую форсунку, обеспечивающую впуск сжатого воздуха попеременно то в надпоршневую, то в подпоршневую полости. В каждой крышке имеется по одному выпускному клапану, которые обеспечивают выпуск рабочего тела. На наружной части цилиндра расположены полости для теплоаккумулирующего материала и прохода отработавших газов поршневого ДВС, а также электрическая обмотка для выработки электрической энергии.
Анализ предлагаемого решения и известных позволяет сделать вывод о его соответствии условиям патентоспособности полезной модели.
Предложение поясняется рисунком (фиг.1), где изображено принципиальное устройство комбинированного двигателя.
Предлагаемый комбинированный двигатель содержит: поршневой ДВС 1 с выпускным коллектором 2 и свободнопоршневой термоэлектрогенератор двойного действия для утилизации теплоты отработавших газов 3. Свободнопоршневой пневматический термоэлектрогенератор двойного действия 3 содержит: цилиндр 4, верхняя и нижняя части которого окружены полости 5 и 6, заполненными теплоаккумулирующим материалом, и полостями 7 и 8 для прохода отработавших газов ДВС. Крышки цилиндра 4 оборудованы выпускным клапаном 9 и 10 и пневматическими форсунками 11 и 12 с электромагнитными клапанами 13 и 14. Форсунки 11 и 12 впускными магистралями 15 и 16 соединены с ресивером 17. Внутри цилиндра 3 помещен поршень-якорь 18. На средней части наружной стороны цилиндра 4 расположена электрическая
обмотка 19 для выработки электрической энергии. Выработанная электрическая энергия через соединительную панель 20 поступает на питание потребителей и компрессора 21 имеющего электрический привод. Компрессор 21 соединен нагнетательной магистралью 22 с ресивером 17.
Предлагаемый комбинированный двигатель работает следующим образом.
При нахождении поршня-якоря 18 свободнопоршневого термоэлектрогенератора 3 в крайнем верхнем положении через форсунку 11 из ресивера 17 по впускной магистрали 15 в надпоршневую полость цилиндра 4 подается воздух под давлением. Здесь он расширяется в условиях нагрева от стенок цилиндра 4 (который обогревается теплоаккумулирующим материалом, находящимся в полости 5 и получающим теплоту извне от отработавших газов ДВС, проходящих через полость 7) и совершает работу по перемещению поршня-якоря 18 вниз. В этот момент начала движения поршня-якоря 18 вниз открывается выпускной клапан 10 и происходит выпуск воздуха из подпоршневого пространства. При достижении поршнем-якорем 18 крайнего верхнего положения клапан 10 закрывается
После достижения поршнем-якорем 18 крайнего нижнего положения в подпоршневую полость цилиндра 4 через форсунку 12 из ресивера 17 по впускной магистрали 16 подается воздух под давлением. Здесь он расширяется в условиях нагрева от стенок цилиндра 4 (который обогревается теплоаккумулируюшим материалом, находящимся в полости 6 и получающим теплоту извне от отработавших газов ДВС, проходящих через полость 8) и совершает работу по перемещению поршня-якоря 18 вверх.
В этот момент открывается выпускной клапан 9 и происходит выпуск воздуха из надпоршневого пространства. При достижении поршнем-якорем 18 крайнего верхнего положения клапан 9 закрывается и рабочий цикл повторяется.
В процессе совершения описанного рабочего цикла в цилиндре 4 поршень-якорь 18 перемещается внутри обмотки 19 и возбуждает в ней ЭДС, действуя по принципу линейного генератора. Выработанная электрическая энергия через соединительную панель 20 поступает на питание потребителей и компрессора 21, имеющего электрический привод от электродвигателя.
Выработанная электроэнергия может быть использована для привода агрегатов ДВС 1 (вентилятора системы охлаждения, жидкостного насоса и насоса смазочной системы и т.п.), позволяет исключить затраты на привод штатного генератора, имеющегося на ДВС 1. Все это позволяет разгрузить ДВС 1 от затрат энергии на привод агрегатов и, тем самым, увеличить мощность, снимаемую с коленчатого вала ДВС 1 на 15-20%.
По сравнению с прототипом предлагаемый комбинированный двигатель в связи с отсутствием системы питания водой двигателя, утилизирующего теплоту отработавших газов ДВС, исключает:
- большой расход воды, необходимый для производства работы в результате ее испарения, превышающей механические потери в двигателе, что требует организации замкнутого контура циркуляции воды;
- значительные затраты энергии на организацию циркуляции воды и создания высокого давления для эффективного ее распыливания в цилиндре;
- серьезные проблемы, связанные с необходимостью создания системы очистки воды в замкнутом контуре ее циркуляции.