Комбінований двигун внутрішнього згоряння

Винахід відноситься до енергетичного машинобудування, зокрема, до комбінованих двигунів внутрішнього згоряння, що працюють на водневовмісному газовому паливі. Відомо двигун внутрішнього згоряння, який містить пусковий реактор конверсії метанолу у водневовмісний газ [див. Megas L., Pettersson L., Sjostrom К. Decomposed methanol: an excellent cold start fuel for internal combustion engines./ 7 Symp. Int. carburants alcoolises, Paris, 20-23 oct., 1986]. Реактор встановлений у випускному тракті двигуна і утилізує тепло відпрацьованих газів. Для забезпечення протікання ендотермічної реакції при низьких температурах цих газів, він постачений системою подачі повітря для часткового окислювання метанолу в реакційній камері, а також пальником, що працює на метанолі, для збільшення температури відпрацьованих газів. У пальнику метанол тонко розпиляється і згоряє при низькому коефіцієнті надлишку повітря. Недоліком відомого двигуна є спалювання метанолу в усередині реактора, що негативно позначається на властивостях каталізатора. Крім того, спалювання метанолу при низькому коефіцієнті надлишку повітря приведе до збільшення токсичності відпрацьованих газів двигуна. Відомо комбінований двигун внутрішнього згоряння з газотурбінним наддуванням для використання низькопотенційної теплової енергії відпрацьованих газів [див. Патент РФ №2196901, МПК7 F02В33/42, F04 F11/02, оп. 20.01.03 Бюл. №2], обраний за прототип. Він містить турбіну привода компресора наддування, підключену газовпускним патрубком до магістралі випуску відпрацьованих газів з циліндрів, компресор теплового стиску, підключений до газовипускного патрубка турбіни і постачений патрубком подавання стиснутого повітря до споживача, з'єднаний з активним соплом ежектора, пасивне сопло якого підключено до магістралі випуску відпрацьованих газів з циліндрів двигуна. Як перетворювач енергії застосовується компресор теплового стиску (КТС), робота якого заснована на ефекті каскадного тепломасообміну. З турбіни відпрацьовані гази, що мають досить високий тепловий потенціал, підводяться до теплообмінника, де передають свою теплоту повітрю, використовуваному як робоче тіло в КТС. Стиснене повітря з КТС, що змішується з відпрацьованими газами у магістралі, забезпечує збільшення витрат робочого тіла через турбіну, завдяки чому, необхідна потужність турбіни реалізується при меншому протитиску газу з циліндрів, що сприяє підвищенню ефективного ККД поршневої частини двигуна. Установка ежектора в магістралі випуску відпрацьованих газів забезпечує поліпшення індикаторного ККД на часткових режимах роботи двигуна. Недоліком відомого двигуна є нераціональне використання стиснутого повітря з КТС тільки для продування циліндрів і значний вміст кисню, що може бути використаний для допалювання продуктів згоряння. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення комбінованого ДВЗ шляхом того, що камера змішування ежектора містить пальник, та зв'язана з міжтрубною порожниною реактора конверсії метанолу, що приведе до підвищення ККД комбінованого двигуна і зниження токсичності внаслідок його роботи на воденьмісткому газовому паливі за рахунок більш повного згоряння палива. Поставлена задача досягається тим, що комбінований двигун внутрішнього згоряння, що містить турбіну привода компресора наддування, підключену газовпускним патрубком до магістралі випуску відпрацьованих газів з циліндрів, компресор теплового стиску, підключений до газовипускного патрубка турбіни, вікна підведення і відводу високого тиску якого, зв'язані магістраллю з розміщеним у ній теплообмінником, з'єднаним з газовипускним патрубком турбіни, і постачений патрубком подавання стиснутого повітря до споживача, з'єднаного з активним соплом ежектора, пасивне сопло якого підключено до магістралі випуску відпрацьованих газів з циліндрів двигуна, причому патрубок подавання стиснутого повітря розташований за вікном відводу високого тиску і приєднаний до магістралі випуску відпрацьованих газів з циліндрів, відповідно до винаходу, камера змішування ежектора, яка містить пальник, зв'язана з міжтрубною порожниною реактора конверсії метанолу, який розташовано у магістралі випуску відпрацьованих газів перед турбіною. Ця відмінність дозволяє використовувати теплову енергію і кисень стиснутого повітря з КТС для забезпечення протікання ендотермічної реакції конверсії метанолу шляхом спалювання частини метанолу в міжтрубній порожнині реактора за допомогою пальника. Розміщення патрубка подавання стиснутого повітря КТС за вікном відводу високоготиску дозволяє здійснити відвід частини повітря до турбіни не тільки з максимальним тиском, як у традиційних КТС, але і з максимальною температурою циклу, що забезпечує високі термодинамічні параметри робочого тіла, відведеного в ежектор. Реалізація перерахованих вище рішень дозволяє підвищити ККД комбінованого двигуна як за рахунок вторинного використання низькопотенційної теплової енергії відпрацьованих газів шляхом перетворення її в енергію тиску в КТС, з наступним спрацьовуванням на турбіні, так і за рахунок термохімічної регенерації теплоти відпрацьованих газів. Слід зазначити, що перераховані вище ознаки пристрою забезпечують реалізацію ефекту, що заявляється, лише у своїй сукупності. Суть винаходу пояснюється ілюстративним матеріалом, де зображено комбінований двигун внутрішнього згоряння. Комбінований двигун внутрішнього згоряння містить поршневу частину з циліндрами 1, турбокомпресор 2, з розміщеними на його валу компресором наддуву 3 і газовою турбіною 4, компресор 3 підключений до впускного трубопроводу 5, а газова турбіна 4 підключена своїм газовпускним патрубком 6 до магістралі 7 випуску відпрацьованих газів з циліндрів 1, а також компресор теплового стиску 8, що містить патрубок підводу 9, та патрубок відводу 10 робочого тіла, магістраль 11 з розміщеним у ній теплообмінником 12, з'єднаним з газовипускним патрубком 13 турбіни 4. Компресор теплового стискання постачений патрубком 14 подавання стиснутого повітря до споживача, що з'єднаний з активним соплом 15 ежектора, пасивне сопло 16 якого підключено до магістралі 7 випуску відпрацьованих газів з циліндрів 1 двигуна, а камера змішування 17, у яку встановлено пальник 18 - до каталітичного реактора конверсії метанолу 19. Каталітичний реактор конверсії метанолу 19 підключений до газовпускного патрубка 6 турбіни 4. Комбінований двигун внутрішнього згоряння працює наступним чином. Відпрацьовані гази з циліндрів 1 двигуна по магістралі 7 надходять у реактор конверсії метанолу 18, де передають своє тепло метанолу, а потім у турбіну 4, потужність якої витрачається на привод компресора 3 наддуву. З турбіни 4 відпрацьовані гази, що ще мають досить високий тепловий потенціал, підводяться до теплообмінника 12, де нагрівають повітря, що використовується як робоче тіло в компресорі 8 теплового стискання. З патрубка 14 подавання стиснутого повітря частина повітря з максимальними термодинамічними параметрами циклу компресора теплового стискання направляється до магістралі 7 випуску відпрацьованих газів з циліндрів 1 і далі, змішуючись з відпрацьованими газами, підводиться в міжтрубну порожнину реактора конверсії метанолу 19. На режимах часткових навантажень двигуна стиснене повітря з компресора 8 теплового стискання через активне сопло 15 ежектора надходить у камеру змішування 17, де встановлено пальник 18 для спалювання частини метанолу, коли температури відпрацьованих газів недостатньо для протікання ендотермічної реакції конверсії метанолу. Продукти згоряння метанолу, змішуючись з відпрацьованими газами двигуна, підводяться до міжтрубної порожнини реактору конверсії метанолу 19. Продукти конверсії метанолу подаються до впускного трубопроводу 5 двигуна. До переваг запропонованого технічного рішення, у порівнянні з прототипом, варто віднести наступне: - використання вторинної низькопотенційної теплової енергії відпрацьованих газів, шляхом перетворення її в енергію стиснутого повітря в КТС із послідовним спрацьовуванням у міжтрубній порожнині реактора конверсії метанолу і на турбіні; - захист теплонапружених елементів турбіни від високих температур відпрацьованих газів на режимах, близьких до номінального, шляхом термохімічної регенерації теплоти відпрацьованих газів у реакторі конверсії метанолу; - підвищення ККД поршневої частини двигуна і зниження токсичності внаслідок його роботи на водневовмісному газовому паливі за рахунок більш повного згоряння палива. Економічний ефект від використання винаходу виходить за рахунок більш ефективного використання теплової енергії.