СПОСОБ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ЕГО УСТРОЙСТВО С ДВУХФАЗНЫМ РАБОЧИМ ТЕЛОМ
METHOD TO OPERATE COMBINED ENGINE WITH TWO PHASE WORKING MEDIUM

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания для повышения их КПД, улучшения их топливной экономичности, снижения вредных выбросов в атмосферу, а также повышения их надежности.
Известны способ работы и устройство комбинированного двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом (патент RU 2242628, кл. F02G 5/04). Устройство комбинированного двигателя состоит из поршневого двигателя, соединенного механической или гидродинамической связью с расширительной машиной, куда подается пар из аккумулятора пара. Пар генерируется в парогенераторе благодаря утилизации теплоты продуктов сгорания, охлаждающей жидкости и масла и накапливается в аккумуляторе пара. Вода для подачи ее в парогенератор выделяется из продуктов сгорания в конденсаторе в результате их охлаждения холодной водой и повышению в нем давления нагнетателем выпускных газов, который приводится поршневым двигателем через механическую или гидродинамическую связь, связанную электросвязью с пультом управления. Охлажденные и сжатые продукты сгорания в конденсаторе срабатывают в турбодетандере (турбине), который приводит электрогенератор через механическую или гидродинамическую связь, связанную с пультом управления. Отделяются капли воды во влагоотделителе из продуктов сгорания благодаря их охлаждению в турбодетандере (турбине) в результате расширения. Образовавшийся конденсат в конденсаторе и влагоотделителе собирается в аккумуляторе горячей и холодной воды соответственно. Охлаждающую жидкость и масло нагревают или охлаждают водой в аккумуляторе горячей воды, в зависимости от их температуры. Воздух в поршневой двигатель подается через контактно-поверхностный воздухоохладитель компрессором, который соединен с поршневым двигателем или турбодетандером (турбиной) через механическую или гидродинамическую связь, соединенную электросвязью с пультом управления. Пульт управления осуществляет прогрев, пуск, управление работой двигателя, а также регулирование коэффициента избытка воздуха, близкого к единице, температуры конденсации водяных паров в конденсаторе, максимальной температуры газов в цилиндрах, температуры воздуха, поступающего в поршневой двигатель, и др. параметров.
Недостатками этого способа и устройства являются сложность, большие размеры и масса, трудоемкость изготовления, высокая стоимость, недостаточная надежность работы при очень низких температурах наружного воздуха.
Наиболее близким к заявленному способу работы и устройству комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом на базе поршневого двигателя внутреннего сгорания является по технической сущности и достигаемому результату способ работы и устройство поршневого двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом (патент РФ 2232913, кл. F02G 5/04, F01K 23/14, F02B 47/02, 75/10), выбранный в качестве прототипа.
Изобретение включает поршневой двигатель внутреннего сгорания, конденсатор, устройства охлаждения продуктов сгорания, распылители воды, установленные во впускной системе и подключенные к емкости с водой водопроводами через регулятор расхода и водяной насос. Вдоль выпускной системы последовательно по ходу движения газов расположены парогенератор, совмещенный с выпускным коллектором, контактный конденсатор, турбодетандер (турбина) или винтовая расширительная машина, соединенные механической связью с электрогенератором, и влагоотделитель. Вдоль впускной системы последовательно по ходу движения воздуха расположены воздушный фильтр, компрессор, контактный воздухоохладитель и впускной коллектор. При этом, поддон влагоотделителя подключен водопроводом к холодной части аккумулятора воды, поддоны контактных конденсатора и воздухоохладителя соединены водопроводами с горячей частью аккумулятора воды, парогенератор подключен подводящим водопроводом к горячей части аккумулятора воды и отводящим паропроводом с аккумулятором пара, от которого отведены паропроводы к турбине или винтовой расширительной машине, соединенные механической связью с компрессором.
Основными недостатками этого прототипа являются сложность, большие размеры и масса, а также недостаточно высокий КПД, который должен ограничиваться действиями первого и второго законов термодинамики.
Целью изобретения является повышение КПД двигателя до уровня, ограничиваемого действиями первого и второго законов термодинамики, уменьшение размеров, массы и стоимости двигателя до уровней существующих бензиновых и дизельных двигателей с турбонаддувом, а также значительное упрощение конструкции по сравнению с прототипом.
Поставленная задача решается тем, что в способе работы комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом подают воздух компрессором во впускные воздухопровод и коллектор, его охлаждают распыливанием холодной воды, охлаждают продукты сгорания последовательно в парогенераторе, совмещенном с выпускным коллектором, экономайзере и контактном конденсаторе, а затем их расширяют в турбодетандере (турбине), отделяют капли воды в контактном конденсаторе и турбодетандере (турбине) при расширении продуктов сгорания, подают холодную воду в контактный конденсатор для охлаждения продуктов сгорания и в систему впуска для охлаждения наддувочного воздуха, подают пар в расширительную машину из парогенератора, отдают теплоту из масла системы смазки нагреваемой воде в водораспределительном устройстве горячей воды через поверхностный теплообменник, а также из воды системы охлаждения тоже нагреваемой воде путем их перемешивания, устанавливают в контактном конденсаторе величину давления газов их дросселированием перед рабочим колесом турбодетандера (турбины) в зависимости от температуры наружного воздуха. По этому установленному давлению охлаждают продукты сгорания в конденсаторе распыливанием холодной воды из водораспределительного устройства холодной воды до температуры конденсации водяных паров, чтобы затем можно было выделенный конденсат из продуктов сгорания охладить в радиаторе наружным воздухом, причем сжигают топливо в камерах сгорания при коэффициенте избытка воздуха 1,0÷1,1 в двигателях с принудительным воспламенением или при коэффициенте избытка воздуха больше 1,1 в двигателях с самовоспламенением от сжатия, изменением количества подаваемого топлива и содержания кислорода в продуктах сгорания. Кроме того, воду из конденсатора подают в среднюю часть водораспределительного устройства горячей воды под давлением газов в этом конденсаторе в количестве, необходимом для охлаждения масла системы смазки в поверхностном теплообменнике и охлаждающей воды в системе охлаждения путем ее перемешивания с водой в этом водораспределительном устройстве, а также повышения температуры питательной воды, подаваемой питательным насосом, при этом регулируют количество конденсата, поступающего в среднюю часть водораспределительного устройства горячей воды, запорнорегулирующим устройством с пульта управления. Кроме того, нагретую воду из нижней части водораспределительного устройства горячей воды подают под давлением газов в конденсаторе по водопроводу в водораспределительное устройство холодной воды, где ее охлаждают циркуляцией насосом через радиатор, обдуваемый наружным воздухом вентилятором, при этом регулируют с пульта управления температуру холодной воды в водораспределительном устройстве холодной воды путем изменения расхода воды через этот радиатор запорнорегулирующим устройством и изменением частоты вращения вентилятора, обдувающего этот радиатор. Причем, подают воздух во впускной коллектор по воздухопроводу компрессором, соединенным с турбодетандером (турбиной), охлаждают этот воздух изменением количества и средних размеров капель распыливаемой воды в этом воздухе, при этом количество распыливаемой воды во впускном коллекторе регулируют запорнорегулирующим устройством, а средние размеры капель - воздействием на распылитель с пульта управления, в зависимости от нагрузки двигателя, температуры воздуха во впускных патрубках, а также максимальной температуры сгорания в цилиндрах. Кроме того, количество распыливаемой воды и средние размеры образующихся капель во впускном коллекторе регулируют насосом, управляемым с пульта управления. Повышают степень сжатия до такого уровня, при котором эффективный КПД становится наибольшим, при этом возникающую детонацию в двигателе с принудительным воспламенением подавляют изменением угла опережения зажигания. Подогретую питательную воду подают питательным насосом в экономайзер, а затем в парогенератор из средней части водораспределительного устройства горячей воды, а образовавшийся пар - в паровую расширительную машину, соединенную с поршневым двигателем, при этом регулируют с пульта управления давление пара изменением давления подачи питательного насоса, а температуру пара - изменением количества подаваемой питательной воды запорнорегулирующим устройством с пульта управления. Кроме того, образовавшийся пар подают в цилиндр(ы) из парогенератора или парораспределительного устройства через проходное(ые) сечение(я) впускного(ых) парового(ых) клапана(ов) в один или несколько цилиндров, в зависимости от количества образующегося пара, при их открытии в верхней (внутренней) мертвой точке и закрытии при таком наполнении цилиндра(ов) свежим паром, при котором работа, совершаемая комбинированным двигателем за цикл, становится наибольшей при известных оптимальных фазах газораспределения парового(ых) выпускного(ых) клапана(ов), при этом отработавший пар направляют в конденсатор по паропроводу через обратный клапан, по которому пар не может поступить обратно в паровой(ые) цилиндр(ы) из конденсатора. Причем, впуск пара, рабочий ход поршня(ей) и предварительный выпуск пара в цилиндре(ах) осуществляется в один ход поршня(ей) при его(их) движении к нижней (наружной) мертвой точке, а принудительный выпуск происходит при его(их) движении к верхней (внутренней) мертвой точке, при этом угол опережения открытия выпускного(ых) клапана(ов) происходит в тот момент, когда давление пара в цилиндре(ах) сравнивается с давлением пара в конденсаторе, а угол его(их) запаздывания закрытия производится в верхней (внутренней) мертвой точке. Температуру пара на частичных малых нагрузках, поступающего в расширительную машину или паровой(ые) цилиндр(ы), регулируют путем его двукратной или многократной циркуляции питательным насосом через экономайзер и парогенератор, парораспределительное устройство и первое запорное устройство при закрытом проходном сечении второго запорного устройства и открытом в нем отверстии, пропускающем пар в паровую расширительную машину для снижения в нем газодинамических потерь, после установления в парораспределительном устройстве требуемой температуры пара его циркуляцию через первое запорное устройство прекращают с логического устройства, а подают этот пар через открытое второе запорное устройство из парораспределительного устройства в паровую расширительную машину. Кроме того, воду из верхней части водораспределительного устройства холодной воды со скопившимися там углеводородами подают на охлаждение воздуха в распылитель, расположенный во впускном воздухопроводе, при этом распыленная вода в воздухе вместе с углеводородами попадает в цилиндр(ы) при наполнении, где углеводороды сгорают при горении топлива в камере(ах) сгорания. Перед началом работы замеряют рН раствора горячей воды в водораспределительном устройстве горячей воды, если это рН оказывается ниже 11-12 единиц, то через пробку добавляют в пароводяную смесь раствор аммиака для нейтрализации токсичных веществ, образующихся, в основном, на поверхностях струй и капель воды в конденсаторе, снижения вредных выбросов с продуктаами сгорания, а также исключения коррозии оборудования. Кроме того, в двигателе без традиционной системы охлаждения отдают теплоту из масла системы смазки через разделяющие стенки теплообменника в водораспределительном устройстве горячей воды, охлаждают рабочее тело распыливанием холодной воды с определенными средними размерами капель и в необходимом количестве. Причем, подают горячий теплоноситель к потребителю теплоты из нижней части водораспределительного устройства горячей воды, а сливают охлажденный теплоноситель из этого потребителя в водораспределительное устройство холодной воды, а регулируют количество подаваемой теплоты этому потребителю с пульта управления путем изменения количества теплоносителя, поступающего к этому потребителю через запорнорегулирующее устройство. Кроме того, сливают образовавшийся конденсат из конденсатосборника турбодетандера (турбины) в резервуарную емкость, затем используют его для заполнения водораспределительного устройства горячей воды при снижении в нем уровня воды ниже допустимого значения. Заполняют водой систему двухфазной подачи воды и пара через пробку, расположенную в верхней части водораспределительного устройства горячей воды до контрольного уровня, а спускают ее по трубке через запорное устройство, расположенное в нижней части этого водораспределительного устройства.
Поставленная цель в устройстве комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом достигается тем, что содержит поршневой двигатель внутреннего сгорания, соединенный с паровой расширительной машиной, экономайзер и парогенератор, конденсатор и турбодетандер (турбину), расположенные последовательно вдоль выпускного газопровода и соединенные газовой связью с цилиндрами этого двигателя, а также компрессор, подключенный к цилиндрам через впускные воздухопровод и коллектор, соединенный с турбодетандером (турбиной), который имеет регулирующее устройство, а также конденсатосборник для сбора и слива конденсата в резервуарную емкость. Кроме того, система двухфазной подачи воды и пара содержит водораспределительное устройство горячей воды, поделенное верхней и нижней перегородками на три части, в средней части которого располагается теплообменник с разделительными стенками, через которые передается теплота от масла системы смазки горячей воде, здесь находится зона смешения воды системы охлаждения двигателя с горячей водой водораспределительного устройства, а также располагаются места для забора подогретой питательной воды и слива части конденсата из конденсатора по водопроводу. В верхней части водораспределительного устройства горячей воды расположен датчик уровня воды, соединенный электросвязью с пультом управления. На верхней крышке этого устройства установлены паровоздушный клапан и пробка для залива воды и раствора аммиака, а на нижней крышке - трубка для слива воды с установленным на нем запорным устройством. Средняя и нижняя части водораспределительного устройства горячей воды соединены с конденсатором водопроводами, при этом, на подводящем водопроводе к средней части этого устройства расположено запорнорегулирующее устройство, соединенное электросвязью с датчиком температуры питательной воды через пульт управления. Водораспределительное устройство горячей и холодной воды соединены между собой через потребитель теплоты подающим и обратным теплопроводами, при этом, на подающем теплопроводе расположено запорнорегулирующее устройство количества подаваемого теплоносителя, которое связано с пультом управления электросвязью. На водопроводе, соединяющем среднюю часть водораспределительного устройства горячей воды с экономайзером или сразу с парогенератором, установлены питательный насос с регулирующим давление клапаном, а также запорнорегулирующее устройство количества подаваемой питательной воды в экономайзер, связанное электросвязью с пультом управления. Водораспределительное устройство холодной воды связано с распылителем воды во впускном воздуховоде водопроводом, на котором расположен насос с регулируемыми подачей воды и давления впрыска, который соединен электросвязью с пультом управления. Это водораспределительное устройство холодной воды связано еще подающим и обратным водопроводами с радиатором, обдуваемым холодным воздухом под действием вентилятора, при этом на подающем водопроводе располагается насос с регулирующим давление клапаном, а также запорнорегулирующее устройство расхода теплоносителя, связанные электросвязями с пультом управления. Кроме того, для повышения температуры пара на частичных нагрузках поршневого двигателя образован замкнутый циркуляционный контур под действием питательного насоса через экономайзер и парогенератор, парораспределительное устройство и первое запорное устройство, связанное с логическим устройством электросвязью, для работы в нормальном режиме предусмотрен паропровод, соединяющий это парораспределительное устройство с паровой расширительной машиной, на котором установлено второе запорное устройство, связанное с логическим устройством электросвязью, имеющее отверстие для уменьшения в нем газодинамических потерь. Кроме того, один или несколько цилиндров двигателя отключены от впускного и выпускного коллекторов, к впускному(ым) отверстию(ям) цилиндра(ов) подключен(ы) паропровод(ы) от парогенератора или парораспределительного устройства, а выпускное(ые) отверстие(я) цилиндра(ов) соединено(ы) паропроводом(ами) с конденсатором, на котором(ых) со стороны конденсатора установлен обратный(ые) клапан(ы), предотвращающий(ие) обратную подачу пара в цилиндр(ы), при этом кулачки газораспределительного механизма этого(их) цилиндра(ов) открывают впускной(ые) клапан(ы) в верхней (внутренней) мертвой точке, а закрывается(ются) после наполнения цилиндра(ов) свежим паром, выпускной(ые) клапан(ы) открывается(ются) при одинаковом давлении пара в конденсаторе цилиндре(ах). Причем, объем между головкой(ами) [крышкой(ами)] цилиндра(ов) и поршнем(ями) в цилиндре(ах) при положении поршня(ей) в верхней (внутренней) мертвой точке устанавливается таким, чтобы эффективный КПД комбинированного двигателя был наибольшим. Объем камеры сгорания в газовых цилиндрах с принудительным воспламенением топлива устанавливается таким, чтобы эффективный КПД комбинированного двигателя был наибольшим и отсутствовала детонация в цилиндре(ах) благодаря распыливанию воды с необходимым средним размером капель в требуемом количестве во впускном воздухопроводе или коллекторе и нагреву ее до температуры кипения для охлаждения воздуха, нагревающегося при сжатиях как в компрессоре, так и цилиндрах, а также охлаждению продуктов сгорания около верхней (внутренней) мертвой точки, испарением капель воды, нагретой до температуры кипения. Верхний уровень воды в водораспределительном устройстве горячей воды располагается выше всех уровней в других емкостях системы двухфазной подачи воды и пара комбинированного двигателя, нижний уровень воды в этом устройстве находится ниже всех нижних уровней воды в емкостях этой системы, при этом диаметр водораспределительного устройства горячей воды подбирается таким, чтобы скорость движения воды из средней части этого устройства в нижнюю часть была выше скорости всплывания углеводородов. Эта скорость будет выше при наибольшей концентрации углеводородов в холодной воде, подаваемой по трубопроводу на распыливание в воздух, поступающий в цилиндры. Водораспределительное устройство холодной воды в верхней ее части имеет форму конуса, куда всплывают и где собираются углеводороды для их забора и подачи в камеры сгорания вместе с распыленной водой в воздухе по воздухопроводу и впускному коллектору для сжигания. При этом, пульт управления связан электросвязями с датчиками температуры наружного воздуха и воздуха во впускном воздухопроводе, газов в конденсаторе и цилиндре, горячей и холодной воды в водораспределительных устройствах, пара, поступающего в расширительную машину или в паровой(ые) цилиндр(ы), пара в парораспределительном устройстве, окружающей среды в месте расположения потребителей теплоты, с датчиками давления воздуха на входе во впускной коллектор, продуктов сгорания и пара в конденсаторе, питательной воды, подаваемой питательным насосом, с датчиком уровня воды в водораспределительном устройстве горячей воды, с датчиком содержания кислорода в выпускных газах, которые служат для управления системой двухфазной подачи воды и пара, а также комбинированным двигателем через исполнительные механизмы.
На фиг.1, 2 и 3 показаны возможные варианты устройства и работы комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом. На фиг.1 изображена схема устройства и работы этого двигателя, в котором базовым оборудованием служат поршневой двигатель внутреннего сгорания и паровая расширительная машина. На фиг.2 показана схема устройства и работы циркуляционного контура, повышающего температуру пара на малых частичных нагрузках, поступающего в паровую расширительную машину или паровой(ые) цилиндр(ы). На фиг.3 изображена схема устройства и работы комбинированного двигателя, в котором один из цилиндров поршневого двигателя внутреннего сгорания подключен к парогенератору для работы на паре.
Устройство комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом содержит поршневой двигатель внутреннего сгорания 1 (фиг.1), соединенный с расширительной машиной 2. Парогенератор 3, экономайзер 4, конденсатор 5 и турбодетандер (турбина) 6, расположенные последовательно вдоль выпускных газопроводов 7 и 8, которые соединены газовой связью с цилиндрами 8 этого двигателя. Экономайзер 4 и парогенератор 3 могут быть объединены в один парогенератор, если есть место для его расположения вместо выпускного коллектора в отсеке двигателя. Компрессор 9 подключен к цилиндрам через впускные воздухопровод 10 и коллектор 11 и соединен с турбодетандером (турбиной) 6, который оснащен регулирующим дросселирующим устройством 12, а также конденсатосборником для сбора и слива конденсата в резервуарную емкость 13. Система с двухфазной подачей воды и пара содержит водораспределительное устройство горячей воды 14, поделенное верхней 15 и нижней 16 перегородками на три части. В средней части этого устройства расположен теплообменник 17 с разделительными стенками, через которые передается теплота от масла системы смазки горячей воде. Здесь также располагается зона смешения воды традиционной системы охлаждения двигателя с горячей водой водораспределительного устройства, а также находятся места забора подогретой питательной воды и слива части конденсата из конденсатора 5 по водопроводу 18. В верхней части водораспределительного устройства горячей воды расположен датчик уровня воды 19, соединенный электросвязью с пультом управления 20. На верхней крышке 21 этого устройства установлены паровоздушный клапан 22 и пробка 23 для залива воды и раствора аммиака, а на нижней крышке 24 трубка 25 с запорным устройством 26 для слива воды, связанным электросвязью с пультом управления 20. Средняя часть водораспределительного устройства горячей воды соединена водопроводом 18 с конденсатором 5 через запорнорегулирующее устройство 28, соединенное электросвязью с датчиком температуры питательной воды 29 через пульт управления 20. Верхний уровень воды в водораспределительном устройстве горячей воды располагается выше всех уровней в других емкостях системы двухфазной подачи воды и пара комбинированного двигателя. Нижний уровень воды в этом устройстве находится ниже всех нижних уровней воды в емкостях этой системы. Если в качестве базового двигателя применяется бензиновый двигатель без традиционной системы охлаждения, то зона смешения воды с различной температурой в средней части воздухораспределительного устройства горячей воды отсутствует. Скорость движения воды из средней части водораспределительного устройства в нижнюю зависит от проходного сечения нижней перфорированной перегородки 16. Чем меньше сечение этой перегородки, тем выше скорость движения воды из средней части в нижнюю и наоборот. Сечение этой перегородки (диаметр) такое, что скорость движения этой воды выше скорости всплывания углеводородов. При этом углеводороды уносятся с водой в водораспределительное устройство холодной воды, где всплывают наверх, а содержание их там становится наибольшим. Водораспределительные устройства горячей и холодной воды 14 и 30 (фиг.2) соединены между собой через потребитель теплоты 31 подающим 32 и обратным 33 теплопроводами, при этом на подающем теплопроводе 32 расположено запорнорегулирующее устройство 34 количества подаваемого теплоносителя, которое связано электросвязью с пультом управления. Водораспределительное устройство холодной воды 30 (фиг.1) в верхней ее части имеет форму конуса, куда всплывают и где собираются углеводороды для их забора и подачи в цилиндры 8 по водопроводу 35 и впускному коллектору 11 для сжигания. На теплопроводе 36 (фиг.2), соединяющем среднюю часть водораспределительного устройства горячей воды 14 с экономайзером 4, установлен обратный клапан 37, питательный насос 38 с регулирующим давление клапаном 39, а также устройство 40, регулирующее количество подаваемой питательной воды в экономайзер 4 и парогенератор 3. Водораспределительное устройство холодной воды 30 (фиг.1) связано с распылителем 41 конденсатора 5 водопроводом 42, на котором расположен насос 43 и запорнорегулирующее устройство 44 количества подаваемой воды на распыливание в конденсатор 5, связанное электросвязью с пультом управления 20. Это водораспределительное устройство связано еще с распылителем воды 45 во впускном воздухе водопроводом 35, на котором расположен насос 46, регулирующий подачу воды, а также давление впрыскивания через пульт управления 20. Конструкция распылителя 45 оснащена устройством для регулирования качества распыливания и связана электросвязью с пультом управления 20, при этом регулируемая подача осуществляется насосом 46 через пульт управления. Водораспределительное устройство холодной воды 30 связано подающим 47 и обратным 48 теплопроводами с радиатором 49, обдуваемым холодным воздухом вентилятором 50, при этом на подающем водопроводе располагается насос 51 с регулирующим давление клапаном, а также запорнорегулирующее устройство расхода теплоносителя 52, связанные электросвязью с пультом управления 20. Для повышения температуры пара на частичных нагрузках, подаваемого в паровую расширительную машину, образован замкнутый циркуляционный контур под действием питательного насоса 38 (фиг.2) через запорнорегулирующее устройство 40, экономайзер 4 и парогенератор 3, парораспределительное устройство 53 и первое запорное устройство 54, связанное с логическим устройством 55. Для работы в нормальном режиме предусмотрен паропровод 56, соединяющий это парораспределительное устройство с паровой расширительной машиной 2, на котором установлено второе запорное устройство 57, связанное электросвязью с логическим устройством 55 и имеющее отверстие с клапаном или без него. Это устройство открывается и закрывается с логического устройства 55, в зависимости от режима работы комбинированного двигателя. Отверстие с клапаном или без него введено с целью уменьшения газодинамических потерь в паровой расширительной машине при движении пара по циркуляционному контуру.
Для работы без паровой расширительной машины один цилиндр 8 (фиг.3) или несколько двигателя 1 отключены от впускного 11 и выпускного 3 коллекторов, к впускному(ым) отверстию(ям) цилиндра(ов) подключен паропровод(ы) 58 от парогенератора 3 или парораспределительного устройства 53 (фиг.2), а выпускное(ые) отверстие(я) цилиндра(ов) соединено(ы) паропроводом(ами) 59 (фиг.3) с конденсатором 5, при этом на конце(ах) трубопровода(ов) 59 со стороны конденсатора 5 установлены обратный(е) клапан(ы) 60, предотвращающий(е) подачу пара в цилиндр(ы), при этом кулачки газораспределительного механизма этого(их) цилиндра(ов) имеют такие размеры, при которых выпускной(ые) паровой(ые) клапан(ы) открывается(ются) в верхней (внутренней) мертвой точке, а закрывается(ются) после наполнения цилиндра(ов) свежим паром, выпускной(ые) паровой(ые) клапан(ы) открывается(ются) при таком давлении пара в цилинре(ах) 8, большем или равном, чем в конденсаторе 5, при котором работа выталкивания пара при движении поршня(ей) к верхней (внутренней) мертвой точке и закрытии там выпускного(ых) клапана(ов) становится наименьшей, а эффективный КПД комбинированного двигателя - наибольшим. Объем между головкой(ами) [крышкой(ами)] цилиндра(ов) и поршнем(ями) при положении поршня(ей) в верхней (внутренней) мертвой точке устанавливается экспериментально или математическим моделированием таким, чтобы эффективный КПД комбинированного двигателя был наибольшим. Как показали расчетно-теоретические исследования от этого объема и количества образующегося пара зависит количество конвертированных цилиндров базового двигателя для работы на паре, при которых эффективный КПД комбинированного двигателя получается наибольшим. Степень сжатия двигателя в газовых цилиндрах проектируется такой, чтобы эффективный КПД комбинированного двигателя был максимальным и отсутствовала детонация в цилиндрах благодаря подаче воды в необходимом количестве во впускной воздухопровод 10 или коллектор 11 (фиг.1) и ее распыливанию там с необходимыми средними размерами капель. При распыливании воды во впускном воздухопроводе или коллекторе требования к октановому числу топлива снижаются (Ефремов П.К. К вопросу о дополнительном питании тепловых двигателей водой. - В кн.: Защита воздушного бассейна от загрязнения токсическими выбросами транспортных средств. T.1 - Харьков: 1977, с.221-261.) из-за уменьшения максимальной температуры сгорания, что позволяет увеличить степень сжатия двигателя. Причем оптимальное количество подаваемой воды составляет 0,5-0,75 от цикловой подачи топлива, при котором эффективный КПД становится наибольшим, а удельный эффективный расход топлива наименьшим (Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. - 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1980, 160 с.). Этот двигатель содержит еще пульт управления 20, который связан с датчиками температуры наружного воздуха 61, воздуха во впускном газопроводе 62, газов в конденсаторе 63 и цилиндре 64, пара, поступающего в расширительную машину или паровой(ые) цилиндр(ы) 65, пара в парораспределительном устройстве 66 (фиг.2), холодной воды в водораспределительном устройстве холодной воды 67 (фиг.1), питательной воды в водораспределительном устройстве горячей воды 29, окружающей среды в месте расположения потребителей теплоты 68 (фиг.2), с датчиками давления воздуха на входе во впускной коллектор 69 (фиг.1), продуктов сгорания и пара в конденсаторе 70, питательной воды, подаваемой питательным насосом 71, с датчиком уровня воды в водораспределительном устройстве горячей воды 19 и с датчиком содержания кислорода в выпускных газах 72, которые служат для управления системой двухфазной подачи воды и пара, а также комбинированным двигателем.
Способ работы комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом осуществляют следующим образом. Компрессор 9 (фиг.1), который приводится турбодетандером (турбиной) 6, подает воздух по воздухопроводу 10 через впускной коллектор 11 в цилиндры 8 поршневого двигателя 1. Охлаждение воздуха, нагретого при сжатиях компрессором и поршнями в цилиндрах, производится равномерным распыливанием в нем воды. Вода на распыливание в распылитель 45 подается насосом 46 из верхней части водораспределительного устройства холодной воды 30, где еще скапливаются углеводороды, которые попадают в воду из продуктов неполного сгорания в конденсаторе 5, а затем вместе с водой при циркуляции переносятся в эту емкость и там, всплывая наверх, концентрируются. Средние размеры капель при распыливании воды образуются такими, что эти капли успевают, в основном, нагреться во время впуска смеси и сжатия ее в цилиндре только до температуры кипения. При горении топлива в камере сгорания они интенсивно испаряются и снижают максимальную температуру сгорания, которая, в основном, определяет возникновение детонации в двигателе с вынужденным воспламенением, а также величину максимального давления сгорания совместно с количеством рабочего тела в цилиндре при неизменной степени сжатия. Количество подаваемой воды определяется экспериментально или математическим моделированием для каждого двигателя отдельно по наибольшему эффективному КПД и приемлемому максимальному давлению сгорания, при котором возникающие напряжения в деталях двигателя не превышают допускаемые значения. Математическим моделированием и экспериментально установлено, что количество подаваемой воды по массе близко к величине цикловой подачи топлива. Средние размеры образующихся капель определяются конструкциями распылителя 45 и насоса 46, а также могут регулироваться с пульта управления 20.
Образовавшиеся продукты сгорания направляются в парогенератор 3, где образуют пар, затем движутся в экономайзер 4, там они нагревают воду, затем по газопроводу 7 подаются в конденсатор 5, здесь они охлаждаются распыленной холодной водой до температуры конденсации водяных паров. В образовавшихся каплях воды токсичные газы и углеводороды абсорбируются, адсорбируются, растворяются и конденсируются благодаря содержанию в охлаждающей воде растворенного аммиака (рН 11-12). Для получения циркулирующей воды с рН 11-12 в нее добавляют раствор аммиака через отверстие, закрытое пробкой 23 в крышке 21 водораспределительного устройства горячей воды 14. Из конденсатора 5 по газопроводу 8 продукты сгорания поступают в турбодетандер (турбину) 8, где совершают работу, которая затем используется на сжатие воздуха в компрессоре 9. Кроме того, в турбодетандере (турбине) при расширении продуктов сгорания происходит их охлаждение, при этом пары воды конденсируются, а образовавшиеся капли благодаря центробежной силе собираются в конденсатосборнике турбодетандера (турбины) 6 и оттуда стекают в резервуарную емкость 13. Охлаждающая вода в конденсатор 5 подается насосом 43 из водораспределительного устройства холодной воды 30 по водопроводу 42 через распылитель 41. Количество подаваемой воды регулируется запорнорегулирующим устройством 44 с пульта управления 20 по температуре продуктов сгорания в конденсаторе 5. Эта температура поддерживается такой, чтобы образовавшийся конденсат при этой температуре можно было охладить наружным воздухом до требуемой температуры холодной воды в водораспределительном устройстве 30. Под требуемой температурой воды понимается такая температура, при которой ее используют в конденсаторе для охлаждения продуктов сгорания. Необходимая температура газов в конденсаторе 5 для конденсации водяных паров достигается изменением давления в этом конденсаторе путем увеличения или уменьшения проходного сечения дросселирующего устройства 12 детандера 6. Под необходимой температурой газов в конденсаторе понимается такая температура, при которой образовавшийся конденсат можно охладить наружным воздухом до требуемой температуры холодной воды, поступающей на охлаждение продуктов сгорания в конденсаторе. Вода в водораспределительном устройстве холодной воды 30 охлаждается в радиаторе 49, обдуваемым наружным воздухом вентилятором 50. Циркуляция воды через радиатор 49 и водораспределительное устройство холодной воды 30 осуществляется насосом 51 по водопроводам 47 и 48, при этом температура холодной воды регулируется с пульта управления изменением проходного сечения запорнорегулирующего устройства 52, а также увеличением или уменьшением частоты вращения вентилятора 50. Вода из конденсатора 5 сливается по водопроводам 18 и 27 под давлением газов в этом конденсаторе в водораспределительное устройство горячей воды 14. Количество воды, подаваемой по водопроводу 18, регулируется запорнорегулирующим устройством 28 по температуре питательной воды с пульта управления. Остальная вода (избыточная) направляется по водопроводу 27 в нижнюю часть водораспределительного устройства горячей воды 14. Нагретая питательная вода из средней части этого устройства подается питательным насосом 38 в экономайзер 4, а затем в парогенератор 3, при этом количество подаваемой питательной воды регулируется запорнорегулирующим устройством 40, а давление - регулирующим давление клапаном 39 с пульта управления 20. Нагрев питательной воды в средней части этого водораспределительного устройства производится маслом системы смазки теплопередачей через разделяющие стенки теплообменника 17, а также водой системы охлаждения путем перемешивания двух теплоносителей с различной температурой. Если количество воды, поступающее по водопроводу 18 через запорнорегулирующее устройство 28 для регулирования температуры питательной воды, становится больше, чем количество воды, подаваемой питательным насосом 38, то избыток воды начинает перетекать в нижнюю часть водораспределительного устройства горячей воды 14 под гидростатическим давлением через отверстия в нижней перегородке 16. Здесь эта вода перемешивается с избытком конденсата, стекающим по водопроводу 27, и так как уровень воды в водораспределительном устройстве горячей воды 14 оказывается выше уровня воды в водораспределительном устройстве холодной воды 30, то под действием гидростатического давления и давление газов в конденсаторе смешанная вода из нижней части этого устройства поступает по водопроводу в водораспределительное устройство холодной воды 30 на охлаждение.
Образовавшийся пар в парогенераторе 3 поступает по паропроводу в расширительную машину 2, где совершает работу, которая передается на коленчатый вал комбинированного двигателя. Отработавший пар направляется по паропроводу в конденсатор 5, где конденсируется благодаря охлаждению пара и продуктов сгорания распыленной холодной водой.
В двигателях без традиционной системы охлаждения вода из этой системы в среднюю часть водораспределительного устройства горячей воды не поступает, следовательно, передача теплоты воде этого устройства не происходит. При этом, детонация в двигателе не возникает, а его теплонапряженность не повышается благодаря снижению температуры рабочего тела в результате распыливания воды в воздухе, поступающем в цилиндры. Система двухфазной подачи воды и пара для этого двигателя сохраняется, а его работа не нарушается.
Предусмотрена циркуляция пара в пароводяной системе с целью повышения ее температуры в тех двигателях, у которых на частичных нагрузках получается низкая температура продуктов сгорания, следовательно, и небольшая передача теплоты пароводяной смеси. Эта циркуляция включается автоматически с логического устройства 55 (фиг.2), когда температура пара, поступающего в расширительную машину 2, становится ниже допускаемого значения. При этом запорный клапан 57 закрывается, а остается открытым отверстие с клапаном или без него, которое пропускает пар в расширительную машину 2, чтобы уменьшить в нем газодинамические потери. Одновременно открывается запорный клапан 54 (фиг.2), и пар под действием насоса 38 начинает циркулировать через запорнорегулирующее устройство 40, экономайзер 4 и парогенератор 3, парораспределительное устройство 53 и опять возвращается в насос 38. Если в пароводяной системе отсутствует экономайзер 4, а он объединен с парогенератором 3, то вода сразу подается в парогенератор 3. Циркуляция воды в этом замкнутом контуре продолжается до тех пор, пока температура пара в парогенераторе 3 не достигнет требуемой величины. Как только она достигается, запорный клапан 54 закрывается, и весь пар начинает поступать через запорный клапан 57 в расширительную машину 2 или в паровой(ые) цилиндр(ы) 8 (фиг.3). Двигатель начинает работать в обычном режиме. Здесь под требуемым допускаемым значением температуры пара понимается такая температура, при уменьшении которой работа, производимая двигателем в течение времени, эксплуатируемом на нагрузках с низкой температурой продуктов сгорания, уменьшается по сравнению с работой, производимой при двукратной или многократной циркуляции теплоносителя через парогенератор за то же время.
В комбинированном двигателе пар подается в паровой(ые) цилиндр(ы) 8 (фиг.3) из парогенератора 3 или парораспределительного устройства 53 (фиг.2) через впускной(ые) паровой(ые) клапан(ы) в один или несколько цилиндров в зависимости от количества образующегося пара, который(ые) открывается(ются) в верхней (внутренней) мертвой точке, а закрывается после наполнения цилиндра(ов) необходимым количеством пара, при котором эффективный КПД двигателя получается наибольшим. Количество подаваемого пара в этот(и) цилиндр(ы) зависит от количества образующегося пара, его давления и температуры, продолжительности открытия впускного(ых) клапана(ов), объема между головкой (крышкой) цилиндра и поршнем(ями) при его(их) положении в верхней (внутренней) мертвой точке и определяется расчетом в результате математического моделирования рабочего процесса в цилиндре(ах). Выпускной(ые) паровой(ые) клапан(ы) открывается(ются) тогда, когда давление пара в паровом(ых) цилиндре(ах) 8 (фиг.3) становится равным или большим, чем давление газов в конденсаторе 5. Закрывается(ются) этот(и) клапан(ы) в верхней (внутренней) мертвой точке. Оптимальный угол опережения открытия парового(ых) выпускного(ых) клапана(ов) до нижней (наружной) мертвой точки определяется по наибольшему количеству работы, совершаемой двигателем за цикл. Рабочий процесс в паровом(ых) цилиндре(ах) совершается за один оборот коленчатого вала. Обратный клапан 60 предотвращает попадание газов из конденсатора обратно в цилиндр(ы) 8. Работа, совершаемая в паровом(ых) цилиндре(ах), передается на общий коленчатый вал комбинированного двигателя через шатунно-поршневую группу.
Во время работы двигателя с принудительным воспламенением коэффициент избытка воздуха в газовых цилиндрах регулируется изменением количества подаваемого топлива с пульта управления по содержанию кислорода в продуктах сгорания.
Заполнение пароводяной системы водой осуществляется через пробку 23 (фиг.1) в крышке 21, а слив этой воды производится по трубке 25 через запорное устройство 26.
Преимущества разработанного способа и устройства комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом на базе поршневого двигателя внутреннего сгорания по сравнению с аналогом и прототипом заключается в более высоком эффективном его КПД и в большей экологической безопасности при почти одинаковой сложности и стоимости с выпускаемыми конструкциями двигателей с наддувом. Эта конструкция двигателя является более надежной по сравнению с аналогом и прототипом благодаря повышению скорости теплоносителя на частичных нагрузках в водопроводах и паропроводах и предотвращению их загрязнения механическими примесями.
Локальная оптимизация параметров и размеров разработанного бензинового комбинированного двигателя на математических моделях показала, что эффективный его КПД поднимается до 0,60 на некоторых режимах его работы, а содержание вредных выбросов в продуктах сгорания снижается до норм ЕВРО-4 без нейтрализатора. Причем коэффициент полезного действия двигателя возрастает еще не менее, чем на 15% с учетом потребления теплоты на отопление и вентиляцию салона или кабины транспортного средства в зависимости от температуры наружного воздуха и количества конденсирующихся водяных паров из продуктов сгорания.
Расчеты были выполнены очень корректно с учетом потерь тепловых, газодинамических, механических и насосных. При проведении оптимизации соблюдалось уравнение теплового баланса с точностью ±1,5% для каждого теплового режима.