СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВС

Предложение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и может быть использовано для получения дополнительной эффективной мощности в силовой установке, включающей двигатель внутреннего сгорания и пневматический двигатель с внешним подводом теплоты.
Известны двигатели с внешним подводом теплоты для утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.
Двигатель с внешним подводом теплоты для утилизации теплоты отработавших газов (Кукис B.C., Стрельчик Д.В., Незнаев Д.С. и др. Двигатель с внешним подводом теплоты для утилизации теплоты отработавших газов: Свидетельство на полезную модель RU 17946 U1 F 02 G 5/02. Опуб. 10.05.2001, бюл.№13), представляет собой поршневой двигатель, включающий картер с цилиндром, разделенные теплоизолирующей проставкой, в котором перемещаются поршень с кривошипно-шатунным механизмом. С одной стороны картера имеется впускной патрубок с обратным клапаном, с другой - перепускной канал для перепуска сжатого в картере воздуха в надпоршневое пространство. В нижней
части цилиндра имеется выпускной патрубок для выпуска отработавшего рабочего тела.
Недостатком этого утилизационного двигателя является очень низкий КПД, обусловленный необходимостью сжатия воздуха в надпоршневом пространстве в условиях интенсивного его нагрева от горячих стенок цилиндра.
Известен также свободнопоршневой паровой термоэлектрогенератор для утилизации теплоты отработавших газов ДВС (Кукис B.C., Xaсанова М.Л. и др. Свободнопоршневой паровой термоэлектрогенератор для утилизации теплоты отработавших газов ДВС: Свидетельство на полезную модель. RU 26600 U1 7 F 02 G 5/02. 10.12.02. Бюл. №34). Свободнопоршневой паровой термоэлектрогенератор представляет собой паровой двигатель, работающий по двухтактному циклу, содержащий цилиндр, с впускными и выпускными 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 нижней части цилиндра расположена электрическая обмотка для выработки электрической энергии.
Данная конструкция двигателя является наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и принята за прототип.
Недостатками прототипа 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 сферической камере;
- серьезные проблемы, связанные с необходимостью создания системы очистки воды в замкнутом контуре циркуляции воды.
Задачей предложения является повышение эффективности свободнопоршневого термоэлектрогенератора для утилизации теплоты отработавших газов ДВС.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в свободнопоршневом пневматическом термоэлектрогенераторе для утилизации теплоты отработавших газов ДВС, содержащем цилиндр, нагреваемый извне отработавшими газами ДВС, в надпоршневую полость которого под высоким давлением через пневматическую форсунку подается воздух и за счет нагрева воздуха от стенок и его расширения происходит перемещение поршня-якоря от верхнего крайнего положения к нижнему крайнему положению. Пространство под поршнем-якорем образует буферную полость, обеспечивающую возврат поршня-якоря в верхнее
крайнее положение после расширения воздуха в надпоршневом объеме и выталкивание воздуха в атмосферу через выпускной клапан. Возвратно-поступательное движение поршня-якоря, который является постоянным магнитом, приводит к образованию ЭДС в обмотке, расположенной на внешней стороне цилиндра в нижней его части. За счет части образовавшейся ЭДС приводится в действие компрессор с электрическим приводом, который обеспечивает поддержание высокого давления в воздушной системе, а другая часть выработанной электроэнергии может быть использована любыми потребителями.
Анализ предлагаемого решения и известных позволяет сделать вывод о его соответствии условиям патентоспособности полезной модели.
Предложение поясняется рисунком (фиг.1), где изображено принципиальное устройство свободнопоршневого пневматического термоэлектрогенератора для утилизации теплоты отработавших газов ДВС.
Предлагаемый свободнопоршневой пневматический термоэлектрогенератор для утилизации теплоты отработавших газов содержит: цилиндр 1, верхняя часть которого окружена полостью 2 для прохода отработавших газов ДВС, а крышка оборудована выпускным клапаном 3. В цилиндре 1 размещены поршень-якорь 4 и пневматическая форсунка 5 с электромагнитным клапаном б, через которую производится впуск в цилиндр 1 свежего воздушного заряда, поступающего по впускной магистрали
7 из ресивера 8. Под поршнем-якорем 4 имеется буферная полость 9, заполненная воздухом, для обеспечения возврата поршня-якоря 4 в крайнее верхнее положение. На нижней части цилиндра 1 расположена электрическая обмотка 10 для выработки электрической энергии. Выработанная электрическая энергия через соединительную панель 11 поступает на питание потребителей и компрессора 12, имеющего электрический привод. От компрессора 12 воздух под давлением поступает по нагнетательной магистрали 13 в ресивер 8, откуда при открытии электромагнитного клапана 6 форсунки 5 по впускной магистрали 7 поступает в цилиндр 1.
Предлагаемый свободнопоршневой пневматический термоэлектрогенератор для утилизации теплоты отработавших газов ДВС работает следующим образом.
При нахождении поршня-якоря в ВМТ в цилиндр 1 через форсунку 5 из ресивера 8 по впускной магистрали 7 подается воздух под давлением. Здесь он расширяется в условиях нагрева от стенок цилиндра 1, который обогревается извне отработавшими газами ДВС, проходящими через полость 2, и совершает работу по перемещению поршня-якоря 4. При перемещении поршня-якоря 4 вниз происходит сжатие воздуха в буферной полости 9. После достижения поршнем-якорем 4 нижней мертвой точки сильно сжатый воздух заставит поршень-якорь 4 перемещаться
вверх, в этот момент открывается выпускной клапан 3 и происходит выпуск воздуха из надпоршневого пространства. При достижении поршнем-якорем 4 крайнего верхнего положения клапан 3 закрывается и рабочий цикл повторяется. В процессе совершения описанного рабочего цикла в цилиндре 1 поршень-якорь 4 перемещается внутри обмотки 10 и возбуждает в ней ЭДС, действуя по принципу линейного генератора. Выработанная электрическая энергия через соединительную панель 11 поступает на питание потребителей и компрессора 12, имеющего электрический привод.
По сравнению с прототипом предлагаемый свободнопоршневой пневматический термоэлектрогенератор для утилизации теплоты отработавших газов ДВС не нуждается в воде, необходимой для производства работы в результате ее испарения, в связи с чем в этом двигателе полностью отсутствуют недостатки, характерные для прототипа.