Тепловой двигатель
HEAT ENGINE

Изобретение относится к двигателям, в которых выделяемое в результате каталитического окисления тепло преобразуется в механическую энергию, и может быть использовано в качестве двигателя для транспортных средств.
Известен двигатель внутреннего сгорания по патенту GB №2320057, имеющий системы рециркуляции выхлопных газов (EGR) в виде трубы, подключенной между выхлопной системой и системой впуска двигателя, содержащий также средство обеспечения избытка кислорода в рециркулируемых выхлопных газах и средство для введения топлива в EGR трубу для смешивания с рециркулируемыми отработавшими газами для частичного реагирования с кислородом, содержащимся в рециркулирующих выхлопных газах перед возвратом в систему впуска двигателя. В EGR трубе предусмотрен катализатор для частичного окисления топлива при рециркуляции выхлопных газов. Материал катализатора целесообразно выбирать из группы металлов, содержащих медь, серебро и золото. Катализатор может быть выполнен в виде уплотненной сетки или в виде спеченного блока, через который текут газы EGR. Циркуляционный контур выполнен вокруг катализатора для рециркуляции газов EGR для увеличения времени пребывания газов в непосредственной близости от катализатора. Для обеспечения принудительной циркуляции газов EGR над катализатором может быть предусмотрен нагнетательный вентилятор, расположенный внутри контура циркуляции.
Недостатком двигателя по патенту GB №2320057 являются дополнительные тепловые потери во внешнем катализаторе и необходимость его прокачки, что вызывает соответствующие потери энергии и снижение коэффициента полезного действия (КПД), усложнение конструкции и увеличение массы двигателя.
Известен каталитический подогреватель топлива для использования в топливной системе транспортного средства по патенту РФ №2432487, содержащий: каталитический реактор, нагреватель, охватывающий каталитический реактор, блок регулирования температуры электрического подогрева, регулирующие компоненты контура возврата топлива и возвратный трубопровод подогретого топлива, причем указанный каталитический реактор содержит металлический корпус, каталитический пакет, герметизированный в этом корпусе, входной патрубок и выходной патрубок, оба сообщающиеся с зазорами каталитического пакета, указанный входной патрубок каталитического реактора соединен с выходом топливного насоса, выходной патрубок каталитического реактора соединен с главным топливопроводом двигателя, указанный возвратный трубопровод подогретого топлива присоединен на участке между входным патрубком каталитического реактора и возвратным трубопроводом, изначально присущим двигателю транспортного средства, указанные регулирующие компоненты, регулирующие количество возвратного топлива, установлены на возвратном трубопроводе подогретого топлива для обеспечения требуемого потока, а указанный блок регулирования температуры электрического подогрева представляет собой терморегулятор, используемый для поддержания постоянной температуры в выбранной контрольной точке, при этом нагреватель использует для нагрева аккумуляторную батарею транспортного средства. Нагреватель, включающий металлический или неметаллический корпус, электрические клеммы для подсоединения проводов, установленные на указанном корпусе, и воздушный клапан, изолирован от каталитического реактора, заполнен масляным теплоносителем и выполнен совместно с интегрированным каталитическим реактором или отдельно от него. Регулирующие компоненты контура возврата топлива включают управляющий клапан для управления потоком, электромагнитный клапан, реле, трубопровод, сквозной патрубок, тройник и провод, причем входной патрубок управляющего клапана соединен с входом патрубка каталитического реактора, выходной патрубок управляющего клапана соединен с входным патрубком электромагнитного клапана, выходной патрубок электромагнитного клапана соединен с возвратными трубопроводами, изначально присущими двигателю; так что возвратный трубопровод подогретого топлива сформирован между входом каталитического реактора и возвратными трубопроводами двигателя, один провод электромагнитного клапана соединен с корпусом двигателя, а другой его провод соединен с нормально разомкнутыми клеммами реле и через него соединен с пусковым устройством транспортного средства, при заведенном двигателе электромагнитный клапан открыт, излишек топлива от всасывающего патрубка каталитического реактора сначала поступает в возвратные трубопроводы двигателя транспортного средства, а затем в топливный бак, один провод обмотки реле соединен с корпусом двигателя, а другой ее провод соединен с пусковым устройством транспортного средства, при запуске двигателя реле создает электромагнитное поле, притягивающее пружинную нормально разомкнутую клемму реле, что приводит к ее размыканию и тем самым к закрытию электромагнитного клапана с блокированием возвратного трубопровода каталитического подогревателя топлива, при работающем двигателе пусковое устройство возвращается в рабочее положение двигателя, реле выключается, пружинная клемма возвращается в нормально разомкнутое положение, электромагнитный клапан формирует электрическую цепь и приводится в действие, тем самым позволяя каталитическому подогревателю топлива сформировать топливный канал и далее управлять потоком и регулировать возвратный поток топлива. Каталитический пакет изготовлен из сложенных вместе каталитических тонких пластин, зазоры между которыми составляют от 30 до 180 мкм.
Недостатком каталитического подогревателя топлива для использования в топливной системе транспортного средства по патенту РФ №2432487 является его сложность, и общее усложнение конструкции двигателя, сопровождающееся увеличением его массы и дополнительными тепловыми и энергетическими потерями.
Известен двигатель внутреннего сгорания по патенту CN №102305156, работающий по принципу каталитического сгорания в камере сгорания двигателя с помощью катализатора.
Композитный катализатор наносят на поверхности поршня двигателя внутреннего сгорания, внутренние поверхности цилиндра и крышку цилиндра, поверхность впускного клапана и поверхности деталей в двигателе, с помощью ионной имплантации или ионным осаждением. При работе двигателя внутреннего сгорания благодаря каталитическому окислению углеродных частиц, воздействующих на поверхности с катализатором - на поршне двигателя внутреннего сгорания, внутренней поверхности цилиндра, и поверхностях деталей в двигателе внутреннего сгорания, происходит сжигание углеродных частиц, и они сгорают, поэтому осаждение углерода в двигателе внутреннего сгорания снижается и топливо полностью сгорает, эффективность сгорания улучшается, тепловая энергия может полностью выполнять работу, уменьшаются потери тепла и загрязнение воздуха.
Недостатками двигателя по патенту CN №102305156 являются значительные тепловые потери, обусловленные тем, что каталитическое окисление происходит на поверхностях цилиндра, тепло от которого непосредственно передается в атмосферу или в систему охлаждения двигателя, также происходит каталитическое сжигание масляной смазки на внутренней поверхности цилиндра, что приводит к возрастанию потерь на трение при движении поршня в цилиндре и возможному заклиниванию двигателя, увеличивается тепловая нагрузка на все детали двигателя.
Двигатель по патенту CN №102305156 принят в качестве наиболее близкого аналога (прототипа).
Техническая проблема, решаемая изобретением - создание надежного, эффективного теплового двигателя с улучшенной экологией, использующего каталитическое сгорание.
Технический результат, достигаемый изобретением - снижение тепловых потерь при работе двигателя, повышение мощности двигателя, упрощение конструкции двигателя, повышение надежности.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в тепловом двигателе, содержащем цилиндр с размещенным внутри него поршнем, цилиндр и/или поршень выполнен сплошным или составным, между внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью поршня образована рабочая камера, в которой размещен каталитический нагревательный элемент, предназначенный для нагрева рабочей среды в результате реакции каталитического окисления, каталитический нагревательный элемент выполнен в виде лепестков, плоская поверхность которых ориентирована вдоль центральной продольной оси цилиндра, при этом лепестки каталитического нагревательного элемента установлены равномерно радиально относительно центральной оси нагревательного элемента и закреплены относительно друг друга, цилиндр снабжен впускным и выпускным окнами, предназначенными для подачи одного или нескольких компонентов рабочей среды в рабочую камеру и отвода отработанных газов из рабочей камеры, поршень установлен с возможностью перемещения вдоль центральной продольной оси цилиндра, рабочая среда содержит смесь воздуха и топлива.
Для обеспечения регулирования начала реакции каталитического окисления при взаимодействии рабочей среды и каталитического нагревательного элемента, каталитический нагревательный элемент может быть выполнен токопроводящим, связанным с источником тока.
Каталитический нагревательный элемент может быть расположен в открытой полости, выполненной в поршне, сообщенной с рабочей камерой.
Каталитический нагревательный элемент может быть расположен в открытой полости, образованной свободным объемом между внутренней поверхностью цилиндра и поршнем при его нахождении в положении верхней мертвой точки.
Каталитический нагревательный элемент может быть установлен симметрично относительно центральной продольной оси цилиндра.
Двигатель может содержать форсунку, предназначенную для подачи в рабочую камеру топлива.
Впускное и выпускное окна могут быть снабжены клапанами, предназначенными для управляемой подачи рабочей среды в рабочую камеру и для управляемого отвода отработанных газов из рабочей камеры.
Поршень может быть связан с кривошипно-шатунным механизмом.
Каталитический нагревательный элемент может быть выполнен из множества трубок.
Принцип действия заявляемого теплового двигателя основан на том, чтобы обеспечить в результате каталитического окисления топлива выделение тепла в рабочей камере, заполненной рабочей средой, содержащей атмосферный воздух и топливо. Указанная рабочая камера образована между поршнем (являющимся подвижным элементом двигателя) и цилиндром (являющимся неподвижным элементом конструкции двигателя). При этом цилиндр (и/или поршень) может быть выполнен сплошным или составным. Каталитический нагревательный элемент (КНЭ) должен располагаться в указанной рабочей камере, например, может располагаться в полости, выполненной в цилиндре, или в поршне. Главное требование - полость, в которой располагается КНЭ, должна быть выполнена с возможностью подачи в нее рабочей среды - воздуха по впускному трубопроводу и топливной форсунки (для подачи топлива) и отвода отработанных газов по выпускному трубопроводу. Подача рабочей среды может осуществляться и без форсунки, например, в случаях, когда в цилиндр подается уже готовая смесь воздуха с парами бензина, т.е. в случаях, когда все составные компоненты рабочей среды подаются по впускному трубопроводу. Поршень установлен с возможностью перемещения вдоль продольной оси цилиндра под действием кривошипно-шатунного механизма - КШМ (или другого механизма) или в результате расширения нагретого при каталитическом окислении объема рабочей среды в рабочей камере.
В результате окислительной реакции при взаимодействии рабочей среды с КНЭ происходит нагрев рабочей среды, сопровождающийся увеличением давления. Под давлением рабочей среды в рабочей камере происходит перемещение подвижного поршня относительно неподвижного цилиндра сопровождающееся расширением объема рабочей среды (после прохождения поршнем верхней мертвой точки - ВМТ). При этом совершается полезная работа.
Такая конструкция двигателя является простой и надежной.
Заявляемый двигатель может быть создан на базе существующих конструкций двигателей внутреннего сгорания с использованием присущих двигателям внутреннего сгорания конструктивных элементов (поршень, цилиндр, впускной и выпускной клапаны и/или окна).
Для обеспечения эффективности двигателя КНЭ должны иметь развитую поверхность, например, КНЭ можно выполнить в виде системы лепестков, расходящихся в радиальном направлении от центра, при оптимальном варианте, совпадающим (близким) с продольной осью симметрии внутренней полости поршня (цилиндра, или полости цилиндра). Каждый лепесток представляет собой плоскость, ориентированную вдоль продольной центральной оси поршня (или цилиндра). Лепестки, как указывалось выше, располагаются в рабочей камере.
В качестве источника топлива, как составного компонента рабочей среды, могут использоваться: жидкое топливо (бензин, керосин, дизтопливо) или природный газ.
2
4
2
3
2
4
2
3
3
4
2
3
2
3
2
3
2
4
2
3
Каталитические нагревательные элементы могут быть выполнены из известных катализаторов полного окисления, например, NiCrO/γ-AlO, CrO/γ-AlO, CoO/α-AlO, MnO/α-AlO, CuCrO/γ-AlO, и др., которые обеспечивают каталитическое окисление топлива, содержащегося в рабочей среде при температуре в рабочей камере <1400 K.
x
y
Рост в рабочей камере температуры выше 1400 K в процессе рабочего цикла является нецелесообразным, т.к. при температуре в рабочей камере выше 1400 K горение будет в любом случае происходить и без КНЭ. Также это приведет к увеличению тепловой нагрузки на детали двигателя и росту тепловых потерь в двигателе. Кроме того, при таких температурах возможна деградация свойств КНЭ и существенный рост выделения СО, NO, CH и С (сажи).
Заявляемый тепловой двигатель может работать с использованием только каталитического окисления (при взаимодействии рабочей среды и КНЭ), но также (для увеличения мощности) можно использовать сочетание каталитического нагрева рабочей среды и объемное горение топлива, обеспечивающего рост максимальной температуры рабочей среды - так называемый, гибридный режим. При этом необходимо чтобы температура КНЭ или была в рабочем диапазоне постоянно, или падала после рабочего такта и возвращалась к моменту повторения рабочего цикла до необходимого рабочего уровня. Это возможно, например, при четырехтактном рабочем цикле теплового двигателя, когда на четвертом такте, первом такте и в начале второго такта происходит остывание КНЭ.
При использовании в двигателе как каталитического нагрева рабочей среды, так и объемного горения топлива, топливо в рабочую камеру можно подавать в течение большего промежутка времени. Момент начала подачи топлива в цилиндр зависит от начальной температуры КНЭ, скорости окисления топлива (в том числе скорости изменения скорости окисления) на КНЭ в процессе первого такта (в случае двухтактного цикла) - чем больше скорость окисления и скорость ее нарастания в процессе первого такта, тем ближе может находиться момент подачи топлива к ВМТ.
Известно, что КНЭ будет тем эффективнее, чем более развитой будет его поверхность, обеспечивая максимально возможную поверхность химического реагирования (каталитического окисления - КО) при взаимодействии КНЭ и рабочей среды. С этой точки зрения выполнение КНЭ в виде радиально расходящихся от центра плоских лепестков с ориентацией плоскости лепестков вдоль продольной оси поршня (цилиндра) двигателя будет эффективным вследствие свободной циркуляции рабочей среды.
Для улучшения пуска теплового двигателя, возможности регулировки момента начала, стабилизации каталитического окисления на КНЭ (например, для синхронизации начала каталитического окисления с расположением поршня вблизи ВМТ) и начального ускорения каталитического окисления в нужный момент времени через КНЭ, выполненный токопроводящим с возможностью подвода и пропускания тока по нему, подается импульс тока. В результате происходит дополнительный нагрев КНЭ и интенсификация процесса начала каталитического окисления рабочей среды в необходимый момент времени.
Дополнительным преимуществом заявляемой конструкции теплового двигателя является то, что КНЭ отделен (мало соприкасается) от поверхностей деталей двигателя. В связи с этим потери тепла будут минимизированы, повышена эффективность двигателя.
Заявляемый тепловой двигатель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен тепловой двигатель, в котором КНЭ расположен в полости поршня (вариант 1).
На фиг. 2 изображен тепловой двигатель, в котором КНЭ располагается в полости цилиндра (выполненного составным) (вариант 2).
На фиг. 3 изображен тепловой двигатель, в котором КНЭ располагается в рабочей камере между внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью поршня (в ВМТ) (вариант 3).
На фиг. 4 изображен вид КНЭ из лепестков снизу.
Тепловой двигатель на фиг. 1 по первому варианту содержит цилиндр 1, поршень 2, размещенный в цилиндре 1 с возможностью перемещения вдоль продольной оси цилиндра 1 (на фиг. 1 поршень 2 расположен в верхней мертвой точке - ВМТ); форсунку 3; впускной клапан 4 и выпускной клапан 5, установленные, соответственно во впускном и выпускном окне 7 и 8, предназначенные, соответственно, для подачи рабочей среды во внутреннюю полость цилиндра 1 и выпуска рабочей среды из внутренней полости цилиндра 1. В части поршня, расположенной со стороны входа в цилиндр 1, выполнена рабочая камера 6, представляющая собой открытую полость, выходящую на торцевую поверхность поршня 2 со стороны входа в цилиндр, это обеспечивает свободную подачу рабочей среды (и ее выход) в камеру 6. Вход в цилиндр 1 - это часть цилиндра, через которую во внутреннюю полость цилиндра подается рабочая газовая среда и топливо. Камера 6 выполнена симметрично относительно продольной оси поршня 2, совпадающей с осью симметрии цилиндра 1. Камера 6, выходящая на торцевую поверхность поршня 2, расположена напротив форсунки 3. Окно 7 с клапаном 4 - состыковано с впускным трубопроводом 9, а окно 8 с клапаном 5 - состыковано с выпускным трубопроводом 10. Клапан 4 обеспечивает подачу рабочей среды в цилиндр 1 и камеру 6 при его открытии, а клапан 5 при его открытии обеспечивает выход отработавших газов из цилиндра 1 и камеры 6. Рабочая полость I - это полость, образованная камерой 6 и сообщенной с ней внутренней полостью цилиндра 1 между наружной поверхностью поршня 2 и внутренней поверхностью цилиндра 1, изолированной от остальной внутренней полости II цилиндра 1 кольцевым уплотнением 11. Кольцевое уплотнение 11 обеспечивает изоляцию рабочей полости I от остальной внутренней полости II цилиндра 1. В камере 6 симметрично относительно ее продольной оси размещен каталитический нагревательный элемент 12 (КНЭ). КНЭ 12 выполнен в виде радиально расходящихся от центральной оси 15 лепестков 13, имеющих плоскую поверхность, ориентированную вдоль центральной продольной оси поршня 2. Лепестки 13 охвачены ободом 14, жестко закрепляющим все лепестки относительно друг друга. Поршень 2 связан с кривошипно-шатунным механизмом 16, обеспечивающим механическую связь между элементами, приводящими в движение автомобиль, и поршнем 2. Рабочей средой является смесь воздуха с топливом (воздух с парами топлива или дисперсная смесь топлива и воздуха).
В двигателе по второму варианту на фиг. 2 цилиндр 1 выполнен составным, состоящим из двух частей - А и Б. В части Б цилиндра 1, расположенной между впускным и выпускным окнами 7 и 8, выполнена полость 17, через которую проходит форсунка 3, выходящая к поршню 2. Полость 17 представляет собой рабочую камеру двигателя по второму варианту. В полости 17 расположен КНЭ 12, выполненный в виде радиально расположенных лепестков 13, при этом осью симметрии КНЭ 12 в двигателе по второму варианту является ось форсунки 3. Рабочая полость I двигателя по второму варианту - это полость, образованная камерой 17 и сообщенной с ней внутренней полостью цилиндра 1 между наружной поверхностью поршня 2 и внутренней поверхностью цилиндра 1, изолированной от остальной внутренней полости II цилиндра 1 кольцевым уплотнением 11.
В двигателе по третьему варианту на фиг. 3 в цилиндре 1 соосно расположен поршень 2. Рабочая камера 6 образована между обращенными друг к другу внутренней поверхностью цилиндра 1 и наружной поверхностью поршня 2. Лепестки 13 КНЭ 12 также, как в двигателе по второму варианту на фиг. 2, размещены радиально вокруг форсунки 3.
Принцип работы двигателей по всем вариантам одинаковый, двигатели по всем вариантам могут быть как двухтактными, так и четырехтактными.
Например, двигатель по первому варианту на фиг. 1 в двухтактном цикле работает следующим образом.
На первом такте (такт впуска) происходит выпуск остатков отработанных ранее газов из рабочей полости I при открытом выпускном клапане 5 в выпускной трубопровод 10 и наполнение рабочей полости I свежей рабочей средой при открытом впускном клапане 4 через выпускной трубопровод 9. Заполнение рабочей полости I рабочей средой может также осуществляться через продувочные окна, расположенные на боковой части цилиндра (на чертеже не показаны). Через какие конструктивные элементы осуществляется подача рабочей среды в рабочую полость I, не является принципиальным. Основное требование - возможность подачи рабочей среды в нужный момент времени (такта работы двигателя). При подаче рабочей среды происходит дополнительное вытеснение отработанных ранее газов в выпускной трубопровод 10. После закрытия впускного клапана 4 (или/и окон) и выпускного клапана 5 (или/и окон) происходит сжатие рабочей среды, сопровождающееся его адиабатическим нагревом, а также подача и распыление через форсунку топлива. В результате происходит образование и дальнейшее сжатие топливовоздушной смеси и ее поступление к КНЭ 12, на котором при прохождении рабочей смеси через КНЭ 12 начинается осуществляться реакция каталитического окисления топлива при расположении поршня в районе ВМТ с выделением тепла. При этом в зависимости от величины количества топлива, поданного в цилиндр, и скорости каталитического окисления, температура рабочих газов может как достигнуть, так и не достигнуть температуры гомогенного горения топлива (т.е. процесс окисления топлива может быть как чисто каталитическим - на КНЭ 12, так и смешанным - на КНЭ 12 и с объемным горением). В процессе каталитического окисления происходит повышение температуры КНЭ 12 и разогрев рабочих газов, сопровождающийся повышением давления рабочих газов. После прохождения поршнем ВМТ начинается процесс расширения рабочего газа и совершение полезной работы, при этом будет происходить продолжение процесса каталитического окисления (возможно и гомогенное горение топлива; однако в случае необходимости его ограничения при превышении температуры рабочего газа выше температуры дезактивации КНЭ 12, регулировку температуры возможно осуществить разбавлением топливной смеси воздушным зарядом). При приближении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) происходит открытие выпускного клапана (или/и окон), сопровождающееся выпуском отработанных газов в атмосферу (например, через систему турбонаддува, благодаря которой будет осуществляться продувка цилиндра в начале первого такта, а также возможно повышение и регулировка мощности теплового двигателя).
Процесс возвратно-поступательного перемещения поршня 2 в цилиндре 1 происходит под действием кривошипно-шатунного механизма (КШМ) 16, который передает крутящий момент на вал двигателя или бесшатунным способом, например, при свободнопоршневом исполнении конструкции теплового двигателя и прочих вариантах исполнения без механизма КШМ. Для заявляемого теплового двигателя механизм перемещения поршня не важен, главное - выполнение им необходимых функций в двигателе.
Форма КНЭ помимо многолепестковой системы может быть различной, например: КНЭ состоит из большого количества трубок (или сот), которые заполняют рабочую камеру; или КНЭ может быть выполнен из высокопроницаемого ячеистого материала ВПЯМ, который заполняет рабочую камеру.
Важно наличие у КНЭ большой активной поверхности для осуществления каталитического окисления топлива.
Для зашиты от перегрева форсунки в случае ее расположения в рабочей камере, форсунка может быть защищена тепловым кожухом (экраном), отделяющим форсунку от непосредственного контакта с КНЭ и большей частью объема рабочей камеры.