КОМБИНИРОВАННЫЙ ПОРШНЕТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
COMBINED PISTON-TURBINE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, конкретно к устройству комбинированного поршнетурбинного двигателя внутреннего сгорания.
Известен комбинированный поршнетурбинный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из поршневого двигателя внутреннего сгорания и силовой турбины, работающей на энергии избыточного давления продуктов сгорания из поршневого двигателя и возвращающей обратно выработанную энергию через свой вал коленчатому валу поршневого двигателя (см. книгу В.П. Алексеева и др. "Двигатели внутреннего сгорания". - г. Москва, изд. "Машиностроение", 1990, стр. 29). Данная идея до настоящего времени не получила практического применения ввиду малости возвращаемой энергии и неоправданным усложнением конструкции, а что касается турбонаддува, он используется на другом принципе и по другому назначению без применения силовой турбины, с использованием обычной газовом турбины.
Основным недостатком поршневых двигателей внутреннего сгорания является неиспользование тепловой энергии продуктов сгорания, т.е. выпускных газов, составляющей в зависимости от типа двигателя 25-50% от общего количества тепловой энергии топлива (см. книгу В.А. Стуканова "Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля". - ИД "Форум - Инфра - М", 2010, стр. 111). А это существенная энергия, и не использовать ее при современном уровне техники не оправдано.
Задачей настоящего изобретения является создание двигателя, лишенного указанного недостатка, и уменьшение тепловых потерь с уходящими по выпускной трубе продуктами сгорания из поршневого двигателя и повышение экологичности двигателя.
кг
3
м
Указанная задача решается впрыскиванием в пульсирующем режиме в высокотемпературный поток продуктов сгорания в выпускной трубе поршневого двигателя легкоиспаряющейся (имеющей малую теплоту парообразования) жидкости и подачей образующейся парогазовой смеси повышенного давления (в разы превышающего избыточное давление выпускных газов) на силовую газовую турбину и возвратом механической энергии, полученной в турбине через ее вал коленчатому валу поршневого двигателя, увеличивая его эффективную мощность. Наиболее подходящей для этой цели жидкостью является сжиженный углекислый газ (жидкая углекислота), являющийся энергоемким перспективным рабочим телом для тепловых машин, он еще в несколько раз дешевле моторного топлива. Попадая в выпускную трубу он мгновенно превращается в пар (газ), повышая давление парогазовой смеси. Пульсирующий режим распыла позволяет организовать процессы, не допуская распространения давления парогазовой смеси в сторону поршневого двигателя путем установки перед форсункой в выпускной трубе обратного клапана. Техника хранения и подачи в атмосферу сжиженного углекислого газа общеизвестна - применяется при сварке. Хранится в прочных стальных герметичных емкостях, плотность жидкой углекислоты 771 / , при температуре 0°C максимальное давление в емкости 3,482 МПа, при 31°C - 7,3832 МПа, газовая постоянная R=188,918 ДЖ/к·К. Он удобен еще тем, что для подачи его в выпускную трубу не требуется насос, подача будет происходить под давлением собственных паров в емкости, во много раз превышающем давление газов в выпускной трубе. Хороши также для подачи в выпускную трубу жидкий воздух, особенно жидкий азот, у него ивовая постоянная R=296,015 ДЖ/к·К (что обуславливает получение более высокого давления парогазовой смеси), но их хранение связано с трудностями. Для распыла используется форсунка, управляемая компьютером. Для обеспечения равномерности вращения вала турбины без рывков выпускная труба за поршневым двигателем разделена на несколько параллельных ветвей, каждая со своей форсункой, оканчивающихся перед турбиной. Для запирания давления парогазовой смеси в сторону поршневого двигателя установлен обратный клапан в виде вращающегося диска одного для всех параллельных ветвей с отверстиями, пропускающего в момент совпадения отверстия с одной из ветвей выпускной трубы к форсунке выпускной газ из поршневого двигателя и запирающего этот газ обратно в сторону поршневого двигателя после отхода отверстия от ветви выпускной трубы. На одной оси с диском обратного капана установлен второй диск с отверстиями, назовем прямой клапан, образующий с диском обратного клапана в момент распыла жидкой углекислоты замкнутую камеру и пропускающий образующуюся парогазовую смесь в момент совпадения одного из отверстий с ветвью выпускной трубы на силовую турбину.
Энергия давления парогазовой смеси в сопловом аппарате силовой газовой турбины преобразовывается в кинетическую энергию, вращающую при ударе парогазовой смеси с рабочими лопатками диска турбины с валом. Энергия, выработанная в турбине через зал турбины возвращается коленчатому валу поршневого двигателя, увеличивая его эффективную мощность. В указанных процессах участвует не только тепловая энергия продуктов сгорания, но также их энергия давления. Остаточная после силовой турбины кинетическая энергия парогазовой смеси срабатывается в реактивном сопле, расположенном за турбиной, сообщая транспортному средству с указанным двигателем тягу, т.е. дополнительную энергию. Указанный двигатель может быть снабжен одним реактивным соплом без установки турбины, что может быть реализовано на гоночных автомобилях. Для стационарных двигателей может оправдать применение вместо жидкой углекислоты воды и ее растворов, но вода как вещество с высоким значением теплоемкости и теплоты парообразования вызовет большие теплопотери, чем жидкая углекислота.
<mrow><msub><mi>m</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>m</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>p</mi><mi>V</mi></mrow><mrow><mi>R</mi><mi>T</mi></mrow></mfrac></mrow>
С учетом того, что углекислый газ является инертным экологически чистым продуктом, двигатель меньше загрязняет окружающую среду, что является также немаловажным фактором в пользу использования указанного комбинированного поршнетурбинного двигателя, особенно, в крупных городах-мегаполисах. Потребный расход сжиженного углекислого газа можно определить расчетным путем при известном расходе выпускных газов, задаваясь различными величинами массового расхода углекислого газа по формуле
.
<mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mi>T</mi></mrow><mi>V</mi></mfrac></mrow>
Отсюда можно определить давление парогазовой смеси
, где
1
2
m и m - массовые расходы выпускных газов и углекислого газа соответственно,
1
2
p и р - давление выпускных газов и углекислого газа в газовой фазе соответственно,
1
2
V и V - объемы газов соответственно,
1
2
Т и Т - абсолютные температуры газов соответственно,
1
2
R и R - газовые постоянные газов соответственно,
V - объем парогазовой смеси,
Т - абсолютная температура парогазовой смеси,
R - газовая постоянная парогазовой смеси.
Оптимальные параметры двигателя выбираются опытным путем на испытаниях двигателя.
На фиг. 1 приведен пример реализации вышеописанного комбинированного поршнетурбинного двигателя внутреннего сгорания с силовой газовой турбиной; на фиг. 2 - поперечное сечение по смесительным камерам; на фиг. 3 и 4 - зоны расположения смесительных камер в различных положениях клапанов; на фиг. 5 - увеличенный показ элементов лабиринтного газового уплотнения в зазорах расположения дисков клапанов; на фиг. 6 - поперечный разрез элементов лабиринтного уплотнения с показом их формы; на фиг. 7 - зона расположения лопаток турбины в увеличенном масштабе; на фиг. 8 - их поперечный разрез.
Устройство состоит из поршневого двигателя 1 внутреннего сгорания (условно показана только выпускная труба коллектора), присоединенной части 2 выпускной трубы с ветвями 3, форсунок 4, расположенных каждая в своих смесительных камерах 5, являющихся продолжением ветвей 3, диска 6 обратного клапана 7, диска 8 прямого клапана 9, сидящих на одном на валу 10, электродвигателя 11 как привода дисков 6 и 8 клапанов 7 и 9 соответственно, газовой силовой турбины 17 с диском 13 и валом 23 и направляющим сопловым аппаратом 14 и реактивного сопла 15. Для уменьшения тепловых потерь часть двигателя до турбины 17 покрыт слоем теплоизоляции 16.
Работает двигатель следующим образом. Рассмотрим процессы применительно к верхней ветви выпускной трубы 2. Выпускные газы, проходя по ветви 3, через отверстие а в диске 6 открытого клапана 7 и при закрытом прямом клапане 9 заполняют смесительную камеру 5 (см. фиг. 1). При дальнейшем повороте диска 6 отверстие а отходит от смесительной камеры 5, образуя между клапанами 7 и 9 замкнутый объем. При этом через форсунку 4 в смесительную камеру 5 впрыскивается сжиженный углекислый газ, поступающий но трубе 19 без какого-либо насоса под давлением своих паров в емкости 18. Работа клапанов 7 и 9 и форсунок 4 взаимно согласованы и управляемы компьютером. Сжиженный углекислый газ, попадая в высокотемпературные продукты сгорания, мгновенно испаряется, давление парогазовой смеси резко повышается, а температура резко снижается и при дальнейшем повороте диска 8 клапана 9 и совмещении отверстия 6 с ветвью выпускной трубы парогазовая смесь поступает на турбину 4, проходя по сопловому направляющему аппарату 14, попадает на рабочие лопатки 22 турбины 17. В направляющем аппарате энергия давления (потенциальная энергия) преобразуется в кинетическую энергию для работы турбины 17, остаточная кинетическая энергия парогазовой смеси, попадая в реактивное сопло 15, создает реактивную силу, дополнительно толкающую силу для движения транспортного средства. Механическая энергия турбины 13 через вал 23 возвращается обратно на коленчатый вал поршневого двигателя 1, повышая эффективную мощность двигателя. Указанные выше процессы повторяются и поочередно происходят и в других ветвях 3 выпускной трубы 2. Незначительные утечки парогазовой смеси через зазоры расположения дисков 6 и 8 уводятся по трубопроводу 24. Работа турбины не сопряжена с высокими температурами, это еще одно удобство использования сжиженного углекислого газа. Может оказаться такому двигателю не нужен глушитель.
Разработка и производство вышеуказанного комбинированного поршнетурбинного двигателя внутреннего сгорания не представляет сложность, но требует проведения научно-исследовательских работ с целью выработки наиболее подходящих параметров вышеуказанных процессов в двигателе. Следует еще отметить, что эффективная мощность поршневого двигателя растет с увеличением рабочих объемов цилиндров. С учетом того, что часть эффективной мощности поршневой двигатель получает от силовой турбины, что потребует меньшую величину эффективной мощности поршневого двигателя и, соответственно, меньшие габариты поршневого двигателя.