ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно, тепловым двигателям, преимущественно, двигателям внутреннего сгорания.
Известен тепловой двигатель в виде двигателя внутреннего сгорания, содержащего расширительную машину поршневого типа (Большой Энциклопедический словарь, политехнический, науч. изд. «Большая Российская энциклопедия», м. 1998, стр.141-142).
Известен тепловой двигатель в виде двигателя внутреннего сгорания газотурбинного типа, рабочий процесс которого происходит в воздушном компрессоре, камере сгорания и расширительной машине - газовой турбине (Большой Энциклопедический словарь, политехнический, науч. изд. «Большая Российская энциклопедия», м. 1998, стр.141-142).
Указанные двигателя подразделяются по роду сжигаемого топлива на газовые двигатели, работающие на газообразном топливе; двигатели, работающие на легком жидком топливе - бензине, керосине, лигроине; двигатели, работающие на тяжелом жидком топливе - дизельном и др. Кроме того, указанные двигатели подразделяют по способу подачи свежего заряда воздуха на двигатели без наддува и двигатели с наддувам, а также по способу подготовки топливо-воздушной среды на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий расширительную машину с камерой сгорания, клапанами впуска воздуха и выпуска отработавших газов, компрессор для сжатия воздуха до давления наддува, выполненный многоступенчатым с межступенчатым охлаждением для сжатия воздуха до давления, равного рабочему, в камере сгорания, а также регенеративные теплообменники-рекуператоры для подогрева сжатого воздуха и топлива, привод компрессора и систему отбора выработанной в двигателе преобразованной в механическую энергии (RU 2246625 С2, 27.12.2003).
Известен тепловой двигатель с воздушным охлаждением камер сгорания расширительной машины (GB, 766703, 13.07.1954).
Недостатком известных двигателей является невысокая эффективная мощность и коэффициент полезного действия вследствие отсутствия или невысокого использования теплоты, вырабатываемой с расширительной машине двигателя и теряемой с выхлопными газами, а также через стенки камер сгорания.
Задача настоящей полезной модели заключается в повышении эффективной мощности теплового двигателя и коэффициента полезного действия работы двигателя.
Поставленная задача решается за счет того, что тепловой двигатель, согласно полезной модели, содержит расширительную машину с устройствами для реализации термодинамического цикла работы двигателя и систему охлаждения, сообщенные с расширительной машиной, систему подготовки компонентов рабочего тела, обычно, воздуха, а также топлива и систему приготовления газотопливной композиции рабочего тела, системы и устройства охлаждения и рекуперации, а также систему отбора мощности, при этом система подготовки воздуха перед подачей последнего в расширительную машину включает последовательно сообщенные каналом заборное устройство и компрессор, который выполнен с трехступенчатой системой устройств компримирования воздуха, а последние состоят из оснащенных поршнями цилиндров с ограждениями, которые сообщены между собой и с расширительной машиной участками канала для подачи в последнюю компримированной смеси, при этом участки канала, попарно сообщающие смежные устройства компримирования смеси компрессора, снабжены охлаждающими устройствами, а расширительная машина имеет, по меньшей мере, две камеры сгорания, каждая со смесительной предкамерой и рабочей зоной с ограждениями, снабженными системой охлаждения, а также поршнем, который кинематически связан с системой отбора мощности с возможностью передачи выработанной в расширительной машине механической энергии, кроме того, по меньшей мере, один из упомянутых участков канала смонтирован с возможностью подключения к нему дополнительного канала для промежуточного отбора компримируемого воздуха и подачи последнего в систему охлаждения расширительной машины, а наиболее удаленное от заборного устройство компримирования воздуха сообщено по компримированному воздуху с системой приготовления газотопливной композиции рабочего тела в расширительной машине, по меньшей мере, через один рекуператор, при этом каждый рекуператор имеет теплообменный контур для подогрева упомянутого компримированного воздуха, с возможностью регулирования, сообщенный с каналом подачи в него горячих выхлопных газов и, по крайней мере, один рекуператор выполнен с возможностью дополнительной регенерации и возврата в камеры сгорания теплоты, утилизируемой из системы охлаждения расширительной машины.
При этом ограждения цилиндров компрессора могут быть выполнены охлаждаемыми от системы охлаждения компрессора.
Наиболее удаленный от заборного устройства цилиндр компрессора может быть сообщен на выходе через ресивер и рекуператор с предкамерой каждой из камер сгорания расширительной машины, а рекуператор запитан с выходным каналом камер сгорания с возможностью подачи в него продуктов сгорания для подогрева подаваемого в расширительную машину компримированного воздуха.
Система рекуперации может включать не менее двух рекуператоров, закоммутированных с возможностью регулируемой подачи в них горячих продуктов сгорания - выхлопных газов с последующим отводом продуктов сгорания во внешнюю среду.
Канал с компримированным воздухом в компрессоре на одном из участков между цилиндрами, преимущественно, после второго цилиндра может быть сообщен дополнительным каналом с системой охлаждения ограждений камер сгорания и подключен к указанной системе на входе, а последние на выходе сообщена, по меньшей мере, с одним из рекуператоров двигателя с возможностью двойной утилизации - теплоты продуктов сгорания и теплоты охлаждения камер сгорания, причем упомянутый рекуператор, в свою очередь, одним из выходов сообщен с рабочей зоной каждой камеры сгорания с возможностью подачи в них промежуточно компримированного воздуха, подогретого в системе охлаждения камер сгорания и в рекуператоре.
Тепловой двигатель может быть снабжен, по меньшей мере, двумя компрессорами, один из которых закоммутирован по каналу подачи охлаждаемого в процессе компримирования воздуха, с, по меньшей мере, одной камерой сгорания расширительной машины через ресивер и рекуператор, обогреваемый продуктами сгорания, а другой компрессор выполнен для реализации автономного вторичного цикла подготовки компримированного воздуха, снабжен не менее, чем двумя устройствами компримирования, преимущественно, цилиндрами с поршнями и системой охлаждения в виде, по меньшей мере, двух охлаждающих устройств, смонтированных на канале подачи упомянутого воздуха после выхода канала из каждого, но не менее, чем из двух последовательно сообщенных цилиндров, снабженных также системой охлаждения ограждений, при этом второй компрессор сообщен напрямую с системой охлаждения камеры сгорания.
Смесительная предкамера каждой камеры сгорания может быть сообщена также с каналом подачи в нее под давлением топлива, например, сжатого природного газа.
Заборное устройство воздуха, установленное перед компрессором, может быть снабжено на входе не менее, чем одним фильтром.
Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, заключается в повышении эффективной мощности двигателя и повышении коэффициента полезного действия за счет рекуперативного введения в работу двигателя теплоты продуктов сгорания - выхлопных газов, в том числе с включением в указанный процесс теплоты охлаждения камер сгорания расширительной машины теплового двигателя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлена общее устройство теплового двигателя с расширительной машиной, рекуператорами и многоступенчатым компрессором основного цикла;
на фиг.2 - тоже, с дополнительным компрессором вторичного цикла.
на фиг.3 - принципиальная схема работы предлагаемого теплового двигателя;
на фиг.4 - термодинамические циклы основной и вторичной работы предлагаемого двигателя.
Тепловой двигатель содержит расширительную машину 1 с устройствами для реализации термодинамического цикла работы двигателя и систему охлаждения, сообщенные с расширительной машиной 1, систему подготовки компонентов рабочего тела, обычно, воздуха, а также топлива и систему приготовления газотопливной композиции рабочего тела, системы и устройства охлаждения и рекуперации, а также систему 2 отбора мощности.
Система подготовки воздуха перед подачей последнего в расширительную машину 1 включает последовательно сообщенные каналом 3 заборное устройство 4 и компрессор 5, который выполнен с трехступенчатой системой устройств 6, 7, 8 компримирования воздуха. Устройства компримирования 6, 7, 8 состоят из оснащенных поршнями 9 цилиндров с ограждениями 10, которые сообщены между собой и с расширительной машиной 1 участками канала для подачи в последнюю компримированной смеси. Участки канала 3, попарно сообщающие смежные устройства 6 и 7, 7 и 8 компримирования смеси компрессора 5, снабжены охлаждающими устройствами 11.
Расширительная машина 1 имеет, по меньшей мере, две камеры 12 сгорания (на чертежах условно показана одна камера сгорания). Каждая камера сгорания выполнена со смесительной предкамерой 13 и рабочей зоной с ограждениями 14, снабженными системой 15 охлаждения, а также поршнем 16, который кинематически связан с системой 2 отбора мощности с возможностью передачи выработанной в расширительной машине 1 механической энергии.
По меньшей мере, один из упомянутых участков канала 3 смонтирован с возможностью подключения к нему дополнительного канала 17 для промежуточного отбора компримируемого воздуха и подачи последнего в систему 15 охлаждения расширительной машины 1.
Наиболее удаленное от заборного устройства 4 устройство 8 компримирования воздуха сообщено по компримированному воздуху с системой приготовления газотопливной композиции рабочего тела в расширительной машине 1, по меньшей мере, через один рекуператор 18, 19. Каждый рекуператор 18, 19 имеет теплообменный контур для подогрева упомянутого компримированного воздуха, с возможностью регулирования, сообщенный с каналом 20 подачи в него горячих выхлопных газов и, по крайней мере, один рекуператор 19 выполнен с возможностью дополнительной регенерации и возврата в камеры 12 сгорания теплоты, утилизируемой из системы 15 охлаждения расширительной машины 1.
Ограждения 10 цилиндров компрессора 5 выполнены охлаждаемыми от системы охлаждения компрессора.
Наиболее удаленный от заборного устройства 4 цилиндр компрессора 5 сообщен на выходе через ресивер 21 и рекуператор 18 с предкамерой 13 каждой из камер 12 сгорания расширительной машины 1. Рекуператор 18 запитан с выходным каналом камер 12 сгорания с возможностью подачи в него продуктов сгорания для подогрева подаваемого в расширительную машину 1 компримированного воздуха.
Система рекуперации включает не менее двух рекуператоров 18. 19, закоммутированных с возможностью регулируемой подачи в них горячих продуктов сгорания - выхлопных газов с последующим отводом продуктов сгорания во внешнюю среду.
Канал 3 с компримированным воздухом в компрессоре 5 на одном из участков между цилиндрами, преимущественно, после второго цилиндра 7 сообщен дополнительным каналом 17 с системой 15 охлаждения ограждений камер 12 сгорания и подключен к указанной системе на входе, а последние на выходе сообщена, по меньшей мере, с одним из рекуператоров 19 двигателя с возможностью двойной утилизации - теплоты продуктов сгорания и теплоты охлаждения камер 12 сгорания. Упомянутый рекуператор 19, в свою очередь, одним из выходов сообщен с рабочей зоной каждой камеры 12 сгорания с возможностью подачи в них промежуточно компримированного воздуха, подогретого в системе 15 охлаждения камер 12 сгорания и в рекуператоре 19.
Тепловой двигатель снабжен, по меньшей мере, двумя компрессорами 5 и 22, один из которых 5 закоммутирован по каналу 3 подачи охлаждаемого в процессе компримирования воздуха, с, по меньшей мере, одной камерой 12 сгорания расширительной машины 1 через ресивер 21 и рекуператор 18, обогреваемый продуктами сгорания. Другой компрессор 22 выполнен для реализации автономного вторичного цикла подготовки компримированного воздуха, снабжен не менее, чем двумя устройствами компримирования 23, 24, преимущественно, цилиндрами с поршнями 9 и системой охлаждения в виде, по меньшей мере, двух охлаждающих устройств 25, 26, смонтированных на канале 27 подачи упомянутого воздуха после выхода канала из каждого, но не менее, чем из двух последовательно сообщенных цилиндров, снабженных также системой охлаждения ограждений. Второй компрессор 22 сообщен каналом 28 напрямую с системой 15 охлаждения камеры 12 сгорания.
Смесительная предкамера 13 каждой камеры 12 сгорания сообщена также с каналом подачи в нее под давлением топлива, например, сжатого природного газа.
Заборное устройство 4 воздуха, установленное перед компрессором 5, снабжено на входе не менее, чем одним фильтром для очистки от загрязнений, содержащихся в подаваемом в компрессор 3 указанном компоненте топливно-газовой смеси.
Примеры работы двигателя.
Пример 1.
Воздух из окружающей среды через впускной патрубок заборного устройства 4 всасывается в первую ступень поршневого охлаждаемого компрессора 5 основного цикла. Ступень работает по 2-х тактному циклу. На 1-м такте воздух через открытый впускной клапан 30 всасывается в цилиндр. На втором такте при движении поршня вверх клапан 30 закрыт, воздух сжимается до давления 0,32 МПа с повышением температуры до 399 К и ближе к верхней мертвой точке (ВМТ) открывается выпускной клапан 31, через который сжатый воздух вытесняется в охладитель 32, где охлаждается до температуры 322 К и направляется во вторую ступень компрессора 5, работающую аналогично первой ступени. После второй ступени воздух с давлением 1,03 МПа и температурой 438 К поступает в охладитель 33, где охлаждается до температуры 326 К и далее сжимается в третьей ступени компрессора 5 до давления 3,3 МПа с температурой 443 К. Воздух из компрессора 5 основного цикла идет на сгорание топлива в расширительной машине 1. Прежде чем попасть в расширительную машину 1 воздух проходит рессивер 21 и далее в рекуператоре 18 нагревается за счет тепла продуктов сгорания. Для подогрева воздуха используется 0,15 часть продуктов сгорания, имеющих температуру около 810 К. В результате прохождения через рекуператор 18 воздух нагревается до температуры 516 К.
В компрессоре 22 вторичного цикла, работающему аналогично компрессору 5 основного цикла воздух сжимается в первой ступени до давления 0,33 МПа с температурой 402 К, далее охлаждается в охладителе до температуры 322 К. Окончательное сжатие происходит во второй ступени до давления 1,1 МПа с температурой 442 К. В зависимости от загрузки двигателя воздух охлаждается до разного уровня температур. При полной загрузке температура воздуха снижается до 326 К. Далее воздух направляется в охлаждающие каналы 34 расширительной машины 1 и нагревается от более нагретых поверхностей цилиндра и головки. На выходе из головки температура воздуха повышается до 548 К. После выхода из головки воздух поступает в рекуператор 19, где нагревается 0,85 частью продуктов сгорания до температуры 779 К. Далее воздух попадает в канал и клапан 35 для впуска вторичного воздуха в расширительную машину 1.
Отношение расхода воздуха через компрессор 5 основного цикла к расходу воздуха через компрессор 22 вторичного цикла составляет 0,75-0,8.
Расширительная машина 1 работает по четырехтактному циклу (весь цикл совершается за 720 градусов поворота коленчатого вала).
На 1 такте поршень 16 движется от верхней мертвой точки (ВМТ) вниз. В окрестности ВМТ открывается впускной клапан 35 вторичного цикла. К моменту открытия клапана 35 давление в цилиндре около 0,136 МПа, а температура 393 К. Через клапан 35 поступает воздух вторичного цикла с давлением 1,1 МПа и температурой 779 К, расширяясь в цилиндре воздух совершает положительную работу. Примерно через 60-70 градусов п.к.в. после ВМТ клапан 35 закрывается, а воздух, имеющий еще достаточно высокое давление, продолжает совершать полезную работу. Примерно за 60-70 градусов п.к.в. до нижней мертвой точки (НМТ) открывается выпускной воздушный клапан 36 и газы из цилиндра уходят в атмосферу. В момент открытия клапана 36 давление и температура газов в цилиндре составляют соответственно около 0,3 МПа и 600 К.
На 2 такте поршень 16 от НМТ поступательно движется вверх. Клапан 36 максимально открыт, а далее начинает плавно закрываться. Полное закрытие происходит примерно через 154 градуса после НМТ. В момент закрытия клапана 36 давление и температура газов в цилиндре составляют соответственно около 0,42 МПа и 456 К. В момент закрытия клапана 36 одновременно открываются клапаны 37 и 38. Через клапан 37 в предкамеру 13 поступает воздух основного цикла с давлением 3,3 МПа и температурой 516 К. Через клапан 38 подается топливный газ под давлением 3,5 МПа. Продолжительность открытия клапанов 37 и 38 около 10 градусов п.к.в. После закрытия клапанов подается искра на свечу зажигания 39 и примерно за 2-7 градусов до ВМТ начинается сгорание, достигая максимальной скорости в окрестности ВМТ.
В 3 такте поршень 16 движется вниз. В начале такта давление и температура газов достигают максимума и составляют соответственно 9-10 МПа и 1815-1850 К. Горение топлива продолжается в течении примерно 60-80 градусов п.к.в. Продукты сгорания вместе с избыточным воздухом расширяясь совершают положительную работу. Примерно за 30 градусов до НМТ начинает открываться выпускной клапан 40 продуктов сгорания, через который отработавшие газы покидают цилиндр и направляются в рекуператоры 18, 19. К моменту выпуска давление и температура продуктов сгорания составляют 0,44 МПа и 1072 К.
В 4 такте поршень 16 движется вверх осуществляя принудительную очистку цилиндров от продуктов сгорания. После закрытия клапана 40 за 2 град до ВМТ открывается впускной клапан 35 вторичного цикла и далее описанный цикл работы расширительной машины 1 повторяется.
Пример 2.
В отличие от работы описанной в примере 1 воздух из окружающей среды через впускной патрубок 40 подается в смеситель 41, где топливный газ смешивается с воздухом. В примере работы 2 в компрессоре 5 основного цикла сжимается не воздух, а топливно-воздушная смесь. Кроме этого, в расширительной машине 1 отсутствует клапан подачи топливного газа. По остальным параметрам работа в примере 2 аналогична работе в примере 1.
Пример 3.
В отличие от работы описанной в примере 1 в расширительной машине 1 отсутствует клапан подачи топливного газа который заменяется на устройство подачи жидкого топлива (например, форсунку). В этом примере в расширительной машине 1 может отсутствовать свеча зажигания. По остальным параметрам работа в примере 3 аналогична работе в примере 1.
Описание термодинамического цикла.
Термодинамический цикл усовершенствованного двигателя состоит из двух взаимосвязанных циклов: основного цикла и вторичного цикла (фиг.4).
1
1
1
2
2
2
охл
пр
В основном цикле процесс сжатия 1-2 осуществляется трехступенчато. В первой ступени 1-1' воздух сжимается до давления корень в 1/3 степени от общей степени повышения давления, определяемой отношением давлений в точках диаграммы 2 и 1. Процесс сжатия в первой ступени политропный с отводом тепла от сжимаемого рабочего тела. После сжатия в первой ступени рабочее тело в изобарном процессе 1'-1' охлаждается с уменьшением удельного объема. Далее сжатие происходит во второй ступени до давления составляющего 2/3 степени от общей степени повышения давления. Рабочее тело далее охлаждается в процессе 1'-1” и поступает на завершающее политропное сжатие 1”-2. В результате трехступенчатого сжатия с двумя ступенями промежуточного охлаждения рабочее тело сжимается до требуемого давления с двумя ступенями промежуточного охлаждения рабочее тело сжимается до требуемого давления с существенно меньшими затратами энергии на сжатие по сравнению с одноступенчатым сжатием рабочего тела до такого же уровня давления. Однако, в результате охлаждения потеряно определенное количество тепла приведшее к снижению температуры рабочего тела. Это тепло может быть компенсировано и даже увеличено за счет частичного использования (примерно на 2/3) тепла отводимого от цикла в изохорном процессе 3'-4 и изобарном 4-1. Подвод этого тепла к рабочему телу происходит изобарно в процессе 2-2'. Температура в этом процессе может быть увеличена до температуры в точке 4. Далее в изохорном процессе 2'-2” и изобарном 2”-3 к рабочему телу подводится тепло эквивалентное теплу, выделяющемуся при сгорании топлива. После подвода тепла происходит политропное расширение с отводом тепла q, которое используется во вторичном цикле для нагрева рабочего тела в изобарном процессе 2-2' и догревается в процессе 2-3' за счет примерно 1/3 части тепла q отводимого в основном цикле. Во вторичном цикле общая степень повышения давления в процессе сжатия примерно в 4 раза ниже чем в основном. При сжатии 1-2 используется только одна ступень промежуточного охлаждения. Остальные процессы расширения, отвода тепла аналогичны процессам в основном цикле.
Таким образом, совместное действие основного и вторичного цикла позволяют получить более высокий КПД за счет снижения затрат в процессе сжатия и более полного превращения тепла в полезную работу.