СИСТЕМА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ
SYSTEM FOR CONVERTING THERMAL ENERGY INTO MECHANICAL ENERGY

ОБЛАСТЬ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системе для преобразования тепловой энергии в механическую энергию, которая применима ко всем системам, потребляющим энергию, производимую при сжигании углеродного топлива, и которая заменяет двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в различных областях машиностроения.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
2
x
2
Основная проблема двигателей внутреннего сгорания – это образование токсичных оксидов при сжигании углеродного топлива. Процесс сжигания топлива неэффективен. Сжигание углеродного топлива усугубляется следующими более существенными факторами: количество молекул CO (продукта сгорания) всегда меньше количества атомов углерода в молекулах топлива после окисления; время, необходимое для соединения кислорода с молекулами углеродного топлива, невелико, частицы остаются несгоревшими; высокие температуры и высокие давления, при которых происходит процесс сгорания, образуют токсичные оксиды азота – NO, а небольшие пространства, в которых происходит карбюрация и сгорание, ухудшают качество процесса производства тепловой энергии. Для приема большего количества кислорода в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания используют заправочные компрессоры, основанные на инерции, и т. д. Заправка большего количества кислорода в цилиндры двигателей внутреннего сгорания – это единственная цель всех современных изменений, направленных на увеличение их мощности. Все улучшения двигателей внутреннего сгорания направлены на улучшение карбюрации и сгорания за счет вдувания большего количества воздуха во впускные коллекторы. Большее количество кислорода окисляет большее количество молекул углеродного топлива, образуя CO, однако оно не изменяет условия карбюрации и время, необходимое для окисления. Для уменьшения количества токсичных оксидов вводят дорогие катализаторы. Для уменьшения последствий этого хронического недостатка применяют частичные решения. Однако в двигателях внутреннего сгорания все еще остаются хронические недостатки карбюрации и сгорания, которые возникают в малых объемах в течение короткого периода времени при высоких температурах и давлениях, поскольку в конце сжатия давление увеличивается, а в конце сгорания максимальное давление критически возрастает, что приводит к увеличению потерь из-за трения, а также возрастает необходимость повышения прочности конструкции.
2
Вспомогательное оборудование для охлаждения, распределения и впрыскивания топлива потребляет мощность и снижает КПД двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время нормы минимального количества токсичных продуктов, выделяемого при работе двигателей внутреннего сгорания, не соблюдаются, и именно поэтому требуется запрет на их производство и использование. Существует большая потребность в замене силовых установок, работающих на двигателях внутреннего сгорания, на другие рациональные системы для достижения 98-99% окисления углеродного топлива с образованием СО без выброса токсичных отходов и для снижения расхода топлива на единицу мощности.
Известен гибридный двигатель с камерой сгорания [1], который по своей технической сущности представляет собой систему для преобразования тепловой энергии в механическую энергию. Известная система для преобразования тепловой энергии в механическую энергию содержит камеру сгорания, выпускное отверстие которой соединено с впускным отверстием газовой турбины основного газотурбинного нагнетателя, а выпускное отверстие газовой турбины основного газотурбинного нагнетателя соединено со второй газовой турбиной. Выпускное отверстие центробежного компрессора основного газотурбинного нагнетателя соединено с механическим модулем, выполненным в виде двигателя внутреннего сгорания. Центробежный компрессор основного газотурбинного нагнетателя также соединен с камерой сгорания. Турбина основного газотурбинного нагнетателя направляет горячие газы во вторую турбину, которая установлена на общем валу с редуктором. Электродвигатель, расположенный на выходном валу, вместе со второй газовой турбиной соединен при помощи ремня с электрогенератором, а последний, в свою очередь, соединен с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания.
Недостатками известной системы являются повышенный расход топлива из-за постоянно работающего двигателя внутреннего сгорания и значительное количество токсичных отходов, так как воздух попадает в камеру сгорания вместе с отработанными газами из работающего двигателя внутреннего сгорания, что является причиной низкого КПД. Система состоит из большого количества оборудования и блоков для охлаждения, распределения и впрыскивания топлива, которые потребляют энергию, что еще больше снижает КПД системы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
Целью настоящего изобретения является создание системы для преобразования тепловой энергии в механическую энергию, которая обеспечивает снижение расхода топлива, низкий уровень выбросов CO без токсичных отходов, и которая является более эффективной с возможностью внедрения в новое производство, а также интеграции в конструкцию двигателей внутреннего сгорания, которые уже используются во всех областях техники.
Данная задача решается системой для преобразования тепловой энергии в механическую энергию, при этом система содержит камеру сгорания, выпускное отверстие которой соединено с впускным отверстием газовой турбины основного газотурбинного нагнетателя; и выпускное отверстие газовой турбины соединено с впускным отверстием второй газовой турбины. Выпускное отверстие центробежного компрессора основного газотурбинного нагнетателя соединено с механическим модулем. Согласно настоящему изобретению соединение центробежного компрессора с механическим модулем, выполненным в виде блока цилиндров, выполнено через последовательно соединенные первый преобразователь давления, четвертый клапан, впускной коллектор и его соответствующее ответвление к полости каждого цилиндра блока цилиндров. Выпускное отверстие каждого цилиндра соединено с выхлопным коллектором, выпускное отверстие которого, в свою очередь, соединено с окружающей средой через второй преобразователь давления и через пятый клапан. Выпускное отверстие выхлопного коллектора также соединено с внутренним патрубком эжектора, наружный патрубок которого соединен через третий клапан с электрокомпрессором, выпускное отверстие которого соединено одновременно с третьим клапаном, а также с первым клапаном, при этом последний соединен одновременно с камерой сгорания через второй клапан, и с соответствующим цилиндром блока цилиндров через впускной коллектор, через соответствующее ответвление впускного коллектора. Вторая газовая турбина является частью вспомогательного газотурбинного нагнетателя. Выпускное отверстие вспомогательного центробежного компрессора второго газотурбинного нагнетателя соединено с впускным отверстием эжектора. Камера сгорания соединена с топливным баком через дозатор и электрически соединена со свечой зажигания. Система также содержит блок управления, соединенный с блоком подачи питания. Блок управления электрически соединен с топливным баком, дозатором, электрокомпрессором, свечой зажигания, первым, вторым, третьим, четвертым и пятым клапанами, а также с первым и вторым преобразователями давления. Блок цилиндров снабжен распределительной пластиной, закрывающей цилиндры блока цилиндров. Вдоль продольной оси распределительной пластины прорезан продольный горизонтальный цилиндрический воздуховод, в котором встроен цилиндрический распределительный вал с возможностью его свободного вращения. В распределительной пластине, в области выше каждого из цилиндров, выполнена пара противоположных поперечных горизонтальных воздуховодов для подачи воздуха и для отвода отработанного воздуха, причем оси указанных воздуховодов лежат в одной плоскости, параллельно друг другу, перпендикулярно продольной оси распределительной пластины, и разнесены на расстоянии друг от друга. Концы поперечных горизонтальных воздуховодов для забора воздуха и отвода отработанного воздуха выполнены с формированием, соответственно, отверстий для забора воздуха и отверстий для отвода отработанного воздуха. Отверстие для забора воздуха каждого поперечного горизонтального воздуховода соединено с соответствующим ответвлением впускного коллектора, подающего воздух в цилиндры, и отверстие для отвода отработанного воздуха каждого поперечного горизонтального воздуховода для отработанного воздуха соединено с выхлопным коллектором. В распределительной пластине, ниже распределительного вала и выше каждого цилиндра, расположен вертикальный воздуховод, выполненный таким образом, чтобы служить как в качестве воздуховода для подачи воздуха, так и воздуховода для отвода отработанного воздуха. Распределительный вал выполнен в виде гладкого цилиндра, вдоль которого, на расстоянии друг от друга и в областях выше каждого цилиндра, выполнены соответственно отверстие для забора воздуха и отверстие для отвода отработанного воздуха, которые прорезаны вдоль диаметра распределительного вала и разнесены относительно друг друга таким образом, чтобы обеспечить прерывистое и последовательное соединение соответствующего цилиндра с его соответствующим горизонтальным поперечным воздуховода для забора воздуха через вертикальный воздуховод, а также чтобы соединить цилиндр с его соответствующим горизонтальным поперечным воздуховодом для отвода отработанного воздуха через вертикальный воздуховод. Распределительный вал приводится в действие коленчатым валом через зубчатый привод. Каждое отверстие для забора воздуха на распределительном валу выполнено таким образом, чтобы обеспечить соединение впускного коллектора с соответствующим цилиндром через вертикальный воздуховод, когда поршень прошел верхнюю мертвую точку на 2-3 градуса, и закрыть отверстие для забора воздуха горизонтального воздуховода для забора воздуха до того, как поршень достигнет нижней мертвой точки. Каждое отверстие для отвода отработанного воздуха выполнено таким образом, что перед достижением поршнем нижней мертвой точкой, оно должно располагаться напротив отверстия поперечного горизонтального воздуховода для отвода отработанного воздуха в выпускной коллектор через вертикальный воздуховод.
2
Преимуществом настоящего изобретения является то, что преобразование тепловой энергии в механическую энергию обеспечивает высокий КПД при снижении потребления топлива, снижении выбросов CO, без токсичных отходов, за счет полного окисления топлива в постоянном процессе сгорания при эффективной карбюрации с высоким количеством кислорода. Еще одним преимуществом системы является ее широкое применение, как в измененной конструкции существующих двигателей внутреннего сгорания для производства механической энергий, так и в производстве новых энергетических систем в разных областях техники. Преимущество указанной системы, а именно высокий КПД, достигается путем использования эффективных блоков и оборудования для преобразования тепловой энергии в механическую энергию с помощью наиболее эффективных термодинамических процессов, выполняемых в системе при низких температуре и давлении энергоносителя, т.е. сжатого воздуха. Повышение КПД также обусловлено исключением блоков и оборудования, которые не являются необходимыми для указанной системы, таких как оборудование для охлаждения, распределения смеси воздуха и топлива и оборудования для подачи топлива.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение поясняется при помощи прилагаемых фигур, где:
на фиг. 1 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая систему для преобразования тепловой энергии в механическую энергию согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 показан вид сбоку механического модуля, выполненного в виде блока цилиндров;
на фиг. 3 показано сечение по A-A блока цилиндров в увеличенном масштабе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Система для преобразования тепловой энергии в механическую энергию согласно настоящему изобретению показана на фиг. 1, на которой гидравлические соединения показаны сплошными линиями, а электрические соединения показаны пунктирными линиями. Указанная система содержит основной газотурбинный нагнетатель с газовой турбиной 1, механически соединенной с центробежным компрессором 2. С всасывающей стороной центробежного компрессора 2 соединен эжектор 3. Эжектор 3 расположен во внутреннем патрубке 4, размещенном в наружном патрубке 5. Система также включает вспомогательный газотурбинный нагнетатель со второй газовой турбиной 7, механически соединенной со вторым центробежным компрессором 6. Впускное отверстие эжектора 3 соединено с выпускным отверстием второго центробежного компрессора 6, который механически соединен со второй газовой турбиной 7, впускное отверстие которой соединено с выпускным отверстием первой газовой турбины 1. Впускное отверстие первой газовой турбины 1 соединено с выпускным отверстием камеры 8 сгорания, которая соединена с топливным баком 9 через дозатор 10. Система также содержит электрокомпрессор 11, выпускное отверстие которого соединено одновременно с первым клапаном 12 и с третьим клапаном 15. Первый клапан 12 соединен одновременно с камерой 8 сгорания через второй клапан 13, и через впускной коллектор 16 – с его соответствующими ответвлениями 18. Наружный патрубок 5 эжектора 3 соединен с третьим клапаном 15. Камера 8 сгорания электрически соединена со свечой 14 зажигания. Впускной коллектор 16 подсоединен к механическому блоку 17, выполненному в виде блока цилиндров, который показан на фиг. 2 и 3. Соответствующее ответвление 18 впускного коллектора 16 соединено, соответственно, с полостью каждого цилиндра 27 блока 17 цилиндров. Выпускное отверстие первого центробежного компрессора 2 основного газотурбинного нагнетателя соединено с впускным коллектором 16 через четвертый клапан 19 и первый преобразователь 20 давления. Полости каждого цилиндра 27 блока 17 цилиндров соединены с выпускным (выхлопным) коллектором 21, выпускное отверстие которого соединено с внутренним патрубком 4 эжектора 3. Выпускной (выхлопной) коллектор 21 оснащен вторым преобразователем 22 давления, выпускное отверстие которого соединено с окружающей средой через пятый клапан 23. Система также содержит блок 24 управления, который соединен с блоком 25 подачи питания, выполненным в виде батареи. Блок 24 управления электрически соединен по отдельности с топливным баком 9; дозатором 10; свечой 14 зажигания; с первым 12, вторым 13, третьим 15, четвертым 19 и пятым 23 клапанами; с первым 20 и вторым 22 преобразователями давления; и с электрокомпрессором 11, как показано на фиг. 1 пунктирными линиями.
Блок 17 цилиндров, показанный на фиг. 2 и 3, снабжен распределительной пластиной 26, которая закрывает цилиндры 27 блока 17 цилиндров. Вдоль продольной оси распределительной пластины 26 выполнен продольный горизонтальный цилиндрический воздуховод, в котором установлен распределительный вал 28 с возможностью его свободного вращения. В распределительной пластине 26, в области над каждым из цилиндров 27 (фиг. 3), для каждого цилиндра расположена пара противоположных поперечных горизонтальных воздуховодов 29 для подачи воздуха и воздуховодов 30 для отвода отработанного воздуха, оси которых расположены в одной и той же плоскости; они параллельны друг другу, перпендикулярны относительно продольной оси распределительной пластины 26 и расположены на расстоянии друг от друга. Концы поперечных горизонтальных воздуховодов 29 для подачи воздуха и воздуховодов 30 для отвода отработанного воздуха выполнены соответственно в виде отверстий для забора воздуха и отверстий для отвода отработанного воздуха. Отверстие для забора воздуха каждого поперечного горизонтального воздуховода 29 соединено с воздушным впускным коллектором 16, подающим воздух в цилиндры 27. Отверстие для отвода отработанного воздуха каждого поперечного горизонтального воздуховода 30 соединено с выхлопным коллектором 21. В распределительной пластине 26, ниже распределительного вала 28 и выше каждого цилиндра 27, выполнен вертикальный воздуховод 33, который служит одновременно воздуховодом для подачи воздуха и воздуховодом для отвода отработанного воздуха. Распределительный вал 28 выполнен в виде гладкого цилиндра, вдоль длины которого на расстоянии друг от друга и в его областях выше каждого цилиндра 27 выполнены отверстие 31 для забора воздуха и отверстие 32 для отвода отработанного воздуха, которые прорезаны вдоль диаметра вала 28 и разнесены относительно друг друга таким образом, чтобы обеспечить прерывистое и последовательное соединение соответствующего цилиндра 27 с его соответствующим горизонтальным поперечным воздуховодом для забора воздуха 29 через вертикальный воздуховод 33 и его соответствующего горизонтального поперечного воздуховода для отвода отработанного воздуха 30 с вертикальным воздуховодом 33 для отвода отработанного воздуха из цилиндра 27. Распределительный вал 28 приводится в действие коленчатым валом 34 с помощью зубчатого привода в соотношении 1:1. Каждое отверстие 31 для забора воздуха распределительного вала 28 выполнено таким образом, чтобы обеспечить соединение впускного коллектора 16 с соответствующим цилиндром 27 через вертикальный воздуховод 33, когда поршень 35 прошел верхнюю мертвую точку на 2-3 градуса, и закрыть отверстие горизонтального воздуховода для забора воздуха 29 до того, как поршень 35 достигнет нижней мертвой точки. Каждое отверстие 32 для отвода отработанного воздуха выполнено таким образом, что по достижению поршнем 35 положения перед нижней мертвой точкой, оно должно располагаться напротив отверстия поперечного горизонтального воздуховода 30 для отвода отработанного воздуха в выпускной коллектор 21 через вертикальный воздуховод 33.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения в отсутствии необходимости в предельной механической энергии, вспомогательный газотурбинный нагнетатель, содержащий второй центробежный компрессор 6 и вторую газовую турбину 7, может быть извлечен. В таком случае, впускное отверстие эжектора 3 соединено с окружающей средой.
ПРИМЕНЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Система может осуществлять три отдельных режима работы: режим запуска, режим производства предельной механической мощности и режим электрического транспортного средства.
Система приводится в действие электрокомпрессором 11, который подает сжатый воздух через первый клапан 12 через воздушный патрубок, который переходит в камеру 8 сгорания через второй клапан 13 и в механический модуль 17, выполненный в виде блока цилиндров, через впускной коллектор 16 и его ответвления 18 в полость цилиндров 27. Коленчатый вал 34 механического модуля 17 начинает вращаться и камера 8 сгорания заполняется сжатым воздухом, при этом свеча 14 зажигания, топливный бак 9 и дозатор 10 также задействуются. Горячие газы, с помощью первой газовой турбины 1 и второй газовой турбины 7, приводят диски первого центробежного компрессора 2 и второго центробежного компрессора 6 во вращательное движение. Сначала первый центробежный компрессор 2 забирает воздух через пятый клапан 23, и после того как вспомогательный газотурбинный нагнетатель приводится во вращательное движение, он заполняется сжатым воздухом с помощью второго центробежного компрессора 6 через эжектор 3, в результате чего поток под давлением заполняет воздушный патрубок до четвертого клапана 19. Второй центробежный компрессор 6 забирает воздух из окружающей среды. По достижении необходимого давления в воздушном патрубке первый преобразователь 20 давления отправляет сигнал в электронный блок 24 на открывание четвертого клапана 19 и на отключение электрокомпрессора 11, отключение свечи 14 зажигания и закрывание первого клапана 12.
После четвертого клапана 19 поток воздуха заполняет впускной коллектор 16, в результате чего часть потока направляется через второй клапан 13 в камеру 8 сгорания, а другая часть поступает в цилиндры 27 через ответвления 18, когда поршень 35 прошел верхнюю мертвую точку на 2-3 градуса. До того как поршень 35 достигнет нижней мертвой точки, начинается отведение воздуха из цилиндра 27 в выхлопной коллектор 21, где установлены второй преобразователь 22 давления и пятый клапан 23, с помощью которых создается давление для обеспечения минимальных потерь энергии и для обеспечения дополнительного потока в первый центробежный компрессор 2. Если давление в воздушном патрубке после первого центробежного компрессора 2 меньше рассчитанного, то первый преобразователь 20 отправляет сигнал в блок 24 управления на запуск электрокомпрессора 11 и на открывание первого клапана 12.
Если система работает в режиме производства предельной мощности согласно эффективной модели, ей необходимо более высокое давление при заполнении первого центробежного компрессора 2 сжатым воздухом, поэтому запускается электрокомпрессор 11. Данная операция выполняется при открытом третьем клапане 15, закрытом первом клапане 12, и с задействованием воздушного патрубка в передаче потока от электрокомпрессора 11 к впускному отверстию первого центробежного компрессора 2. Давление для заполнения первого центробежного компрессора 2 повышается за счет уменьшения давления в выхлопном коллекторе 21 за счет подачи потока воздуха от блока 17 цилиндров к впускному отверстию первого центробежного компрессора 2. Благодаря каскадному расположению второго центробежного компрессора 6 и второй газовой турбины 7, и благодаря повторному использованию горячих газов, отведенных от первой газовой турбины 1, увеличивается давление для заполнения. Воздух, всасываемый вторым центробежным компрессором 6, подается в эжектор 3. Струйный поток от второго центробежного компрессора 6 через эжектор 3 всасывает воздух из выхлопного коллектора 21. Система производит предельную мощность при увеличении давления в выпускном отверстии первого центробежного компрессора 2 путем подачи воздуха электрокомпрессором 11 в наружный патрубок 5 эжектора 3 через воздушный патрубок при закрытом первом клапане 12 и открытом третьем клапане 15.
Система согласно настоящему изобретению также может быть выполнена для осуществления режима управления транспортным средством, таким как электромобиль, в городских условиях и где необходимы частые торможения и различные перемещения. В режиме электрического транспортного средства все блоки и клапаны деактивируются, за исключением электрокомпрессора 11, первого клапана 12 и пятого клапана 23. Режим электрического транспортного средства осуществляется с помощью блока 24 управления, питаемого от блока 25 подачи питания, выполненного в виде батареи. Блок 24 управления подает напряжение на электрокомпрессор 11, первый клапан 12 и пятый клапан 23. Сжатый воздух, производимый электрокомпрессором 11, подается через первый клапан 12 через воздушный патрубок во впускной коллектор 16 и через его соответствующие ответвления 18 поступает в цилиндры 27 блока 17 цилиндров. Отработанный воздух отводится в выхлопной коллектор 21 и через открытый клапан 23 выводится в окружающую среду. Мощность, производимая блоком 17 цилиндров, определяется объемом цилиндров 27, давлением сжатого воздуха, произведенным электрокомпрессором 11, и скоростью вращения распределительного вала 28 блока 17 цилиндров. Пройденное расстояние в режиме управления электрическим транспортным средством определяется емкостью батареи 25, которая заряжается в результате вращения коленчатого вала 34 блока 17 цилиндров и вала электрического генератора 25 для заряда батареи, который не показан на фиг. 1.
ЦИТИРОВАННЫЕ ПАТЕНТЫ:
1. US8141360