ГИБРИДНЫЙ ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
HYBRID THERMAL ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателестроении при создании приводов автотранспортных средств.
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий компрессорный цилиндр с поршнем, сообщенный с воздушной магистралью, а так же рабочий цилиндр с камерой сгорания, оснащенной топливной форсункой и поршнем, надпоршневая полость которого подключена к выпускному тракту. В состав конструкции включена дополнительная камера сгорания, сообщенная своими полостями с помощью клапанов с полостями компрессорного и рабочего цилиндров, имеющая форсунку для впрыска с помощью водяного насоса воды, нагреваемой в теплообменнике. Причем теплообменник включен своими нагреваемыми поверхностями в выпускной тракт. В дополнительной камере происходит нагрев воды за счет тепла выпускных газов, затем происходит ее подача в камеру сгорания рабочего цилиндра в надпоршневую полость в момент ее сообщения с выпускным трактом. В результате образуется смесь продуктов сгорания с водяным паром. При этом дополнительная энергия от присутствия водяного пара в принудительном удалении образовавшихся после сгорания выпускных газов, преобразуя энергию расширяющейся газопаровой смеси в кинетическую энергию коленчатого вала (см. А.С. СССР №1314137, МПК F02M 25/02, опубл. 1987 г.).
Недостатком известного двигателя внутреннего сгорания является дополнительный расход топлива в дополнительной камере сгорания, а так же не использование тепла системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания.
Известен гибридный тепловой двигатель внутреннего сгорания с контуром циркуляции охлаждающей жидкости. В последний входит рубашка охлаждения с жидкостным насосом, а так же выпускной тракт, сообщенный с атмосферой. В состав конструкции входит контур циркуляции низкокипящей рабочей жидкости с напорной и сливной магистралями, в состав которого включены емкость с рабочей жидкостью, теплообменное устройство для нагрева в нем низкокипящей рабочей жидкости теплом охлаждающей двигатель жидкости, а также теплом выпускных газов выпускного тракта. При этом предусмотрен преобразователь давления паров низкокипящей рабочей жидкости, который установлен в напорной линии. При работе двигателя преобразованная в пар низкокипящая рабочая жидкость направляется в эластичную емкость, установленную в ванне с водой и имеющую всасывающие и напорные клапаны. Эластичная емкость, периодически изменяя свой объем (пульсирующий режим), воздействует через слой воды на размещенную вместе с ней компрессорную камеру, подавая воздух под давлением в ресивер, а затем в двигатель, а также в другие системы транспортного средства, используя при этом тепло контура охлаждающей жидкости и выпускного тракта при работающем контуре низкокипящей жидкости (см. А.С. СССР №1744294, МПК F02G 5/04 опубл. 1982 г.).
Недостатком устройства является то, что отсутствует преобразование тепла выпускных газов и системы охлаждения в механическую энергию выходного вала двигателя.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является максимальное использование тепловой энергии системы охлаждения и выпускных газов для преобразования этой энергии в дополнительную механическую энергию привода.
Решение поставленной технической задачи достигается благодаря тому, что гибридный тепловой двигатель, содержащий двигатель внутреннего сгорания с системой подачи топлива и выпускным трактом, имеющий контур циркуляции охлаждающей жидкости, в который включены рубашка охлаждения с жидкостным насосом, и контур циркуляции низкокипящей рабочей жидкости с напорной и сливной магистралями, в состав которого включены емкость с рабочей жидкостью, теплообменное устройство с возможностью нагрева в нем низкокипящей рабочей жидкости теплом охлаждающей жидкости и выпускного тракта, а также преобразователь энергии давления паров низкокипящей рабочей жидкости, установленный в напорной магистрали после теплообменного устройства, и систему клапанов, согласно изобретению двигатель снабжен охладителем-радиатором и расширительной емкостью, дополнительно установленными в контуре циркуляции низкокипящей рабочей жидкости, преобразователь энергии выполнен в виде роторно-парового мотора, а теплообменное устройство контура циркуляции низкокипящей рабочей жидкости - в виде двух нагревателей, установленных последовательно в напорной магистрали, один из которых связан с контуром циркуляции охлаждающей жидкости и соединен через соответствующие обратные клапаны с жидкостной полостью емкости с низкокипящей рабочей жидкостью и другим нагревателем, причем последний связан с выпускным трактом и соединен через подпорный клапан с расширительной емкостью и со входом роторно-парового мотора, выход которого соединен последовательно с охладителем-радиатором, установленным в сливной магистрали, а через подпорный клапан - с паровой полостью емкости с низкокипящей рабочей жидкостью, при этом роторно-паровой мотор своим выходным валом механически связан с выходным валом двигателя внутреннего сгорания.
Решение поставленной технической задачи становится возможным, благодаря тому, что тепло выпускных газов, а также тепло, диссипируемое контуром охлаждающей жидкости не выбрасывается в окружающую среду, а используется для нагрева низкокипящей рабочей жидкости в нагревателях-теплообменниках до парообразного состояния, а затем с помощью преобразователя энергии в виде роторно-парового мотора преобразуется в механическую энергию его выходного вала. Полученная таким образом дополнительная энергия может быть передана выходному валу двигателя внутреннего сгорания или использоваться в качестве привода каких-либо других устройств. После использования энергии давления рабочая жидкость при охлаждении поступает вновь в жидкой фазе в исходную емкость, тем самым обеспечивается циркуляция низкокипящей рабочей жидкости по замкнутому контуру. В результате использования двигателем внутреннего сгорания дополнительной тепловой энергии можно значительно повысить КПД гибридного теплового двигателя.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема гибридного теплового двигателя.
Гибридный тепловой двигатель содержит традиционный двигатель 1 внутреннего сгорания с системой подачи топлива (на чертеже не обозначена) и выпускным трактом 2, имеющий контур циркуляции охлаждающей жидкости, в который входит рубашка 3 охлаждения с жидкостным насосом 4. В состав гибридного теплового двигателя входит контур циркуляции низкокипящей рабочей жидкости с напорной и сливной магистралями 5 и 6, соответственно, емкостью 7 с низкокипящей рабочей жидкостью, теплообменным устройством (на чертеже не обозначено) с возможностью нагрева в нем низкокипящей рабочей жидкости теплом контура охлаждающей жидкости и выпускного тракта. Кроме того, в контуре имеется преобразователь 8 давления паров низкокипящей рабочей жидкости, установленный в напорной магистрали 5 после теплообменного устройства, а также система из обратных и подпорных клапанов 9, 10 и 11, 12, соответственно, обеспечивающих процесс циркуляции низкокипящей рабочей жидкости. При этом гибридный тепловой двигатель снабжен охладителем-радиатором 13 и расширительной емкостью 14, дополнительно установленными в контуре циркуляции низкокипящей рабочей жидкости, преобразователь 8 выполнен в виде роторно-парового мотора, а теплообменное устройство - в виде двух нагревателей 15 и 16, которые установлены последовательно в напорной магистрали 5. Причем один из нагревателей, а именно, нагреватель 15 связан с контуром циркуляции охлаждающей жидкости двигателя 1 внутреннего сгорания и соединен через обратный клапан 9 с жидкостной полостью 17 емкости 7 с низкокипящей рабочей жидкостью, а через обратный клапан 10 - с другим нагревателем 16. Последний связан с выпускным трактом 2 и соединен через подпорный клапан 11 с расширительной емкостью 14 и со входом преобразователя 8 в виде роторно-парового мотора, выходной вал которого механически связан с выходным валом двигателя 1 внутреннего сгорания. При этом выход преобразователя 8, выполненного в виде роторно-парового мотора, связан сливной магистралью 6 с охладителем-радиатором 13, а далее с паровой полостью 18 емкости 7 через подпорный клапан 12.
Гибридный тепловой двигатель работает следующим образом.
жид
пар
Первоначально емкость 7, напорная магистраль 5 до подпорного клапана 11 заполняются низкокипящей рабочей жидкостью под давлением насыщенных паров в емкости 7 до уровня 0,6-0,8 Мпа. После начала работы двигателя 1 внутреннего сгорания начинается прогрев нагревателя 15, использующего тепло контура, состоящего из рубашки 3 охлаждения и жидкостного насоса 4. В то же время осуществляется прогрев нагревателя 16 теплом продуктов сгорания, поступающих в выпускной тракт 2, рабочая среда в виде низкокипящей рабочей жидкости в объеме напорной магистрали 5 между обратным и подпорным клапанами 9 и 11, соответственно, прогревается и начинает расширяться до давления срабатывания подпорного клапана 11. Перегретая жидкость попадает в расширительную емкость 14, превращается в пар под давлением насыщенных паров рабочей среды в соответствии с температурой перегрева. Объем рабочей среды в парообразном состоянии существенно увеличивается в ρ/ρ раз. Вследствие инерционности системы и гистерезиса характеристики подпорного клапана 11 из нагретой напорной магистрали 5 выйдет некоторое количество жидкой перегретой рабочей среды в расширительную емкость 14, что понизит давление в напорном объеме между обратным клапаном 9 и подпорным клапаном 11. Это позволит емкости 7 подать под давлением насыщенных паров необходимое количество жидкой холодной среды. Данный пульсирующий процесс будет повторяться при дальнейшей работе системы. Промежуточный обратный клапан 10 позволяет интенсифицировать каждый из нагревателей 15 и 16. Под давлением насыщенных паров пар из расширительной емкости 14 поступает к преобразователю 8 в виде роторно-парового мотора, что обеспечивает передачу энергии пара его выходному валу. Отработанный пар из преобразователя 8 - роторно-парового мотора, поступает в охладитель-радиатор 13 и охлаждается до температуры окружающей среды и под действием избыточного давления, создаваемого подпорным клапаном 12, конденсируется и в жидком агрегатном состоянии поступает из сливной магистрали 6 в емкость 7. Затем цикл работы повторяется многократно, обеспечивая работу контура гибридного теплового двигателя с замкнутой циркуляцией рабочей среды. Таким образом, нагреватель 15 в контуре охлаждения и нагреватель 16 в выпускном тракте 2 контура циркуляции низкокипящей рабочей жидкости перегревают жидкую рабочую среду, которая превращается в пар, приводящий во вращение преобразователь 8 в виде роторно-паровой мотора, механически связанного с выходным валом двигателя 1 внутреннего сгорания. Затем пар охлаждается в охладителе-радиаторе 13 и под давлением подпорного клапана 12 превращается в жидкость, а после этого поступает в паровую полость 18, а из нее - в жидкостную полость 17 емкости 7. Охладитель-радиатор 13 представляет собой систему естественного воздушного охлаждения без дополнительных трат энергии.
В итоге, при использовании низкокипящей, легко конденсируемой жидкости в качестве рабочей среды в условиях закрытого контура ее циркуляции в режиме дополнительного использования тепловой энергии контура циркуляции охлаждающей жидкости, а также выпускного тракта двигателя внутреннего сгорания, появляется возможность преобразовывать тепловую энергию в механическую энергию роторно-парового привода, увеличивая тем самым эффективность гибридного теплового двигателя за счет рекуперации тепловой энергии.
Таким образом, изобретение позволяет максимально использовать тепловую энергию системы охлаждения и выпускных газов для преобразования этой энергии в дополнительную механическую энергию привода.