КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Предложение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и может быть использовано для более полного использования энергии топлива, сжигаемого в поршневом двигателе внутреннего сгорания.
Известны комбинированные двигатели, состоящие из поршневого ДВС утилизатора теплоты отработавших газов ДВС.
Комбинированный тепловой двигатель (Лев Ю.Е., Юнда Ю.Д. Эксендер // Исследование поршневых двигателей. - Ангарск: Изд-во. ИПИ, 1971. - С.7-10.), состоит из ДВС и присоединенного к нему двигателя Стирлинга, утилизирующего теплоту отработавших газов ДВС. В таком комбинированном двигателе отработавшие газы ДВС нагревают головку двигателя Стирлинга, который вырабатывает дополнительную механическую энергию, передаваемую с помощью редуктора на коленчатый вал ДВС.
Недостатками этого двигателя являются:
1. Высокая стоимость вследствие необходимости применения дорогостоящих высоколегированных сплавов для изготовления деталей и узлов двигателя Стирлинга, подвергающихся постоянному воздействию
высокого давления во внутренней полости и высокой температуры в теплообменниках.
2. Увеличенные размеры системы охлаждения, так как двигатель Стирлинга является системой закрытого типа и вся теплота, которую необходимо отводить от рабочего тела отводиться только через систему охлаждения. В результате охлаждающая поверхность радиатора должна быть в 2-2,5 раза больше, чем у поршневого ДВС.
3. Необходимость использования в качестве рабочего тела двигателя Стирлинга гелия или водорода для получения высокого КПД.
Известен также комбинированный двигатель (Кукис.B.C., Кривошеина Л.В. Комбинированный двигатель: Патент на полезную модель RU 35844 U1, F 02 G 5/02. Выд. 10.02.04. Бюл. №4), содержащий поршневой ДВС, тепловой аккумулятор и термоэлектрогенератор свободнопоршневой паровой двигатель, работающий по двухтактному циклу, на верхней части цилиндра которого расположена электрическая обмотка для выработки электрической энергии. Свободнопоршневой паровой двигатель работает следующим образом. Горячие отработавшие газы ДВС попадают внутрь цилиндра, сжимаются движущимся к верхней мертвой точке поршнем, их температура существенно повышается. При приближении поршня к верхней мертвой точке через форсунку в цилиндр впрыскивается вода. Происходит интенсивное парообразование, пар
перегревается и расширяется, перемещая поршень к нижней мертвой точке. Возвратно-поступательное движение поршня, который является постоянным магнитом, приводит к образованию ЭДС в обмотке, расположенной на внешней стороне цилиндра в нижней его части.
Недостатками данной конструкции являются:
- большой расход воды, необходимый для производства работы в результате ее испарения, что требует организации замкнутого контура циркуляции воды;
- значительные затраты энергии на организацию циркуляции воды и создания высокого давления для эффективного ее распыливания;
- серьезные проблемы, связанные с необходимостью создания системы очистки воды в замкнутом контуре циркуляции воды.
Данная конструкция двигателя является наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и принята за прототип.
Задачей предложения является упрощение конструкции комбинированного двигателя и исключение затрат энергии на организацию циркуляции воды и ее очистку.
Решение поставленной задачи достигается следующим образом. При работе турбонагнетателя за счет энергии отработавших газов приводится в действие высокочастотный электрический генератор, питающий электродвигатель компрессора, от которого сжатый воздух поступает в
ресивер и, далее, к пневматической форсунке, установленной в цилиндре свободнопоршневого пневматического двигателя. Последний содержит цилиндр, в надпоршневую полость которого через пневматическую форсунку под высоким давлением подается сжатый воздух, за счет его расширения происходит перемещение поршня-якоря от верхнего крайнего положения к нижнему крайнему положению. Пространство под поршнем-якорем образует буферную полость, в которой находится воздух, обеспечивающий возврат поршня-якоря в верхнее крайнее положение после расширения воздуха в надпоршневом объеме и выталкивание отработавшего 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 верхней его части. Выработанная электроэнергия 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 комбинированного двигателя.
Предлагаемый комбинированный двигатель содержит: поршневой ДВС 1 с выпускным 2 и впускным 3 коллекторами, газовую турбину 4,
высокочастотный электрический генератор 5, соединенный проводами 6 с компрессором 7, имеющим электрический привод и сообщающийся трубопроводом 8 с ресивером 9, центробежный компрессор 10 и линейный электрогенератор 11. Линейный электрогенератор 11 содержит: свободнопоршневой паровой двигатель 12, работающий по двухтактному циклу и содержащий цилиндр 13, с поршнем-якорем 14, впускным клапаном 15, обеспечивающим периодическую очистку цилиндра от отработавшего воздуха и пневматическую форсунку 16 с электромагнитным клапаном 17, соединенную воздухопроводом 18 с ресивером 9. Через пневматическую форсунку 16 сжатый воздух поступает в надпоршневую полость 19 цилиндра 13. Под поршнем-якорем 14 имеется буферная полость 20, заполненная воздухом. На верхней части цилиндра 13 расположена электрическая обмотка 21, в которой вырабатывается электрическая энергия.
Предлагаемый комбинированный двигатель работает следующим образом. Отработавшие газы поршневого ДВС 1 по выпускному коллектору 2 поступают в газовую турбину 3, вал которой соединен с высокочастотным электрическим генератором 5 и центробежным компрессором 10. Вырабатываемая электрическим генератором 5 электроэнергия по проводам 6 подается на электрический привод компрессора 7, из которого сжатый воздух по трубопроводу 8 поступает в ресивер 9.
Когда поршень-якорь 14 свободнопоршневого пневматического двигателя 12 линейного электрогенератора 11 приближается к верхней мертвой точке, через пневматическую форсунку 16 в надпрошневую полость 19 цилиндра 13 подается сжатый воздух, поступающий из ресивера 9 по воздухопроводу 18. Под действием расширяющегося воздуха поршень-якорь 14 перемещается вниз, сжимая воздуха в буферной полости 20. После достижения поршнем-якорем 14 нижней мертвой точки сильно сжатый в буферной полости 20 воздух заставит поршень-якорь 14 перемещаться вверх, после чего рабочий цикл повторяется. В процессе совершения описанного рабочего цикла в цилиндре 13 поршень-якорь 14 перемещается внутри обмотки 21 и возбуждает в ней ЭДС, действуя по принципу линейного генератора.
Выработанная электроэнергия может быть использована для привода агрегатов ДВС 1 (вентилятора системы охлаждения, жидкостного насоса и насоса смазочной системы и т.п.), дает возможность исключить затраты энергии 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.
По сравнению с прототипом предлагаемый комбинированный двигатель за счет исключения теплового аккумулятора и системы питания
двигателя линейного электрогенератора водой в результате замены ее, как рабочего тела, на воздух, обеспечивает упрощение конструкции комбинированного двигателя и исключение затрат энергии на организацию циркуляции воды и ее очистку