Паливо-паровий двигун внутрішнього згоряння

Реферат: Винахід належить до паливо-парових двигунів внутрішнього згоряння. Двигун має систему (2) подачі і займання палива і видалення відпрацьованого газу, циліндр (1) з нижньою стінкою (6), поршень (3) зі штоком (4), шатун (5) кривошипно-шатунного механізму, з'єднаний зі штоком (4). На зовнішній поверхні поршня (3) виконана виїмка, яка з внутрішньою поверхнею циліндра утворює ємність (7), яка герметизована ущільнювальними кільцями (8). У верхній частині циліндра (1) є регульований вхід (9) для подачі води, який сполучається з ємністю (7), коли поршень знаходиться поблизу ВМТ. У нижній частині циліндра (1) є регульований вихід (10) для стисненої пари, отриманої в результаті нагрівання теплоносія в ємності (7), регульований вхід (11) для стисненої пари, які сполучаються з паронакопичувачем (12), а також регульований вихід (14) для відпрацьованого пару. UA 113702 C2 (12) UA 113702 C2 UA 113702 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до двигунів внутрішнього згоряння (далі ДВЗ), в яких для підвищення к.к.д. використовують пару. Сучасні ДВЗ (дизельні, бензинові) мають к.к.д. 25-33 %, тобто на корисну роботу (розширення газу, отриманого при згорянні палива, перетворення його в поступальний рух поршня і обертання робочого валу) витрачається менша частина енергії, яка накопичена в паливі і реалізується при його згорянні в камері згоряння ДВЗ. Інша енергія [1], що утворюється при згорянні палива, виділяється у вигляді тепла і йде на нагрів деталей двигуна (приблизно 40 %), на нагрів і рух відпрацьованих газів (приблизно 25 %) і на тертя рухомих деталей (приблизно 10 %). Інженери давно працюють над підвищенням к.к.д. ДВЗ за рахунок корисного використання енергії, яка втрачається. Особливо доцільно використовувати тепло, що йде на нагрів деталей двигуна і відпрацьованих газів. Температура газів в камері згоряння чотиритактного ДВЗ в робочому режимі може досягати до 1200-15000 °С. При цьому внутрішні стінки циліндра і поверхня поршня сильно нагріваються. Для перетворення цього тепла в корисну роботу широко відоме використання як теплоносія (робочого тіла) повітря або пари. Практика реалізації технічних рішень показала, що використання пари є більш доцільним. Відомі ДВЗ, в яких для підвищення к.к.д. утилізують тепло відпрацьованих газів з використанням пари як робочого тіла. Наприклад, в технічному рішенні за патентом [2] к.к.д. ДВЗ підвищують шляхом встановлення поруч з робочими циліндрами на тому ж колінчастому валу спеціального парового циліндра. При цьому відпрацьовані гарячі гази з циліндра ДВЗ направляють для обігріву головки цього парового циліндра, який працює по двотактному циклу, розігрівають головку парового циліндра до 374-500 °C і впорскують у неї воду один раз за оборот колінчастого вала. Недоліком такого рішення є те, що утилізують лише тепло відпрацьованих газів. Крім того, необхідно поряд з кожним робочим циліндром ДВЗ встановлювати спеціальний паровий циліндр, що ускладнює конструкцію і збільшує габарити двигуна. Відомий патент [3], де перетворюють охолоджуючу рідину блока робочих циліндрів ДВЗ в пару за рахунок тепла зовнішніх стінок циліндрів і тепла відпрацьованих газів, і подають перегріту пару в ресивер, з якого її направляють в циліндр, де поршень рухається за рахунок енергії пари. Випускають відпрацьовану пару з циліндра в конденсатор, і повертають сконденсовану пару в блок циліндрів. Клапани впуску та випуску пари, клапани впуску суміші повітря з паливом і випуску відпрацьованих газів керуються електронним блоком керування. При цьому, робота ДВЗ можлива в режимі чотиритактного циклу паливного двигуна або в режимі парового двигуна. У даному рішенні утилізують і тепло відпрацьованих газів, і тепло зовнішніх стінок циліндрів, але при цьому використовують тепло не в повній мірі, так як частина тепла втрачається на нагрівання стінок циліндра і корпуса двигуна. Відомий 6-тактний двигун Кроуена [4], в якому відбувається не 4, а 6 тактів. На початку п'ятого такту, коли поршень знаходиться у верхній мертвій точці (далі ВМТ), в гарячу камеру згоряння впорскують воду і утворена пара діє на поршень, який забезпечує робочий рух колінчастого вала. Під час шостого такту поршень рухається від нижньої мертвої точки (далі НМТ) до ВМТ, викидаючи відпрацьований газ. Недоліком такого ДВЗ є те, що, по-перше, додається ще 2 такта, ефективність яких менше, ніж під час перших 4-х тактів, де використовується паливо, і, по-друге, вода впорскується безпосередньо до камери згоряння палива, що призводить до утворення на сідлах клапанів твердого накипу, що має абразивні властивості. Метою винаходу є подолання вище зазначених недоліків. Ця мета досягається тим, що в ДВЗ, який має систему подачі і займання палива і видалення відпрацьованого газу, циліндр з нижньою стінкою, поршень зі штоком, шатун кривошипношатунного механізму, з'єднаний зі штоком. На зовнішній поверхні поршня виконана виїмка, яка з внутрішньою поверхнею циліндра утворює ємність, герметизовану ущільнювальними кільцями. У верхній частині циліндра є регульований вхід для подачі теплоносія (наприклад, води), який сполучається з ємністю, коли поршень знаходиться поблизу ВМТ. У нижній частині циліндра є регульований вихід для стисненої пари, отриманої в результаті нагрівання теплоносія в ємності, і регульований вхід для стисненої пари, які сполучаються з паронакопичувачем, а також в нижній частині циліндра є регульований вихід для відпрацьованої пари. Крім того, паронакопичувач має регулюючий клапан, за допомогою якого в паронакопичувачі підтримується тиск, який нижче тиску пари в ємності. Фіг. 1 - схематично показаний паливо-паровий ДВЗ, де поршень знаходиться поблизу ВМТ, фіг. 2- схематично показаний паливо-паровий ДВЗ, де поршень знаходиться поблизу НМТ. 1 UA 113702 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропонований ДВЗ має, серед іншого, циліндр 1 (фіг. 1), у верхній частині якого знаходиться система 2 подачі, займання палива і видалення відпрацьованого газу. У циліндрі 1 розташований поршень 3 зі штоком 4, який з'єднаний з шатуном 5 кривошипно-шатунного механізму. У нижній частині циліндра 1 є нижня стінка 6, крізь яку проходить шток 4 (ущільнення штока не показано). На зовнішній поверхні поршня 3 виконана виїмка, яка з внутрішньою поверхнею циліндра утворює ємність 7. Вище і нижче ємності 7 розташовані ущільнювальні кільця 8. У верхній частині циліндра 1 є регульований вхід 9 для подачі води, який сполучається з ємністю 7, коли поршень 3 знаходиться поблизу ВМТ. В нижній частині циліндра (фіг. 2) знаходиться регульований вихід 10 для стисненої пари, отриманої в результаті нагрівання теплоносія, наприклад, води, (буде докладно описано нижче), і регульований вхід 11 для пари, які сполучаються з паронакопичувачем 12. Паронакопичувач 12 має регулюючий клапан 13, з допомогою якого в паронакопичувачі 12 підтримується тиск Ρ2 пари. Слід зауважити, що, якщо двигун має декілька циліндрів (не показано), то паронакопичувач 12 може бути з'єднаний з регульованими виходами і входами всіх або деяких циліндрів. Також в нижній частині циліндра 1 розташований регульований вихід 14 для відпрацьованої пари. ДВЗ є чотиритактним двигуном і працює одночасно від палива, в режимі паливного циклу звичайного ДВЗ, і від пари, що утворюється з теплоносія (далі, наприклад, води). Вода подається в ємність 7 в поршні 3, в режимі парового циклу. Робота ДВЗ відбувається наступним чином. ДВЗ запускають і він працює деякий час у режимі паливного циклу звичайного ДВЗ, поки температура в камері згоряння не підніметься до 150-200 °C, розігріваючи поршень і стінки циліндра до температури, що дорівнює або більше температури перетворення води в пару. Після цього, коли поршень буде поблизу ВМТ, через відкритий регульований вхід 9 для подачі води в ємність 7 в поршні 3 впорскується порція води. Вода може бути попередньо нагрітою в теплообміннику (не показаний) за рахунок тепла відпрацьованих газів і/або тепла води в системі охолодження двигуна. Так як в цей час поршень 3 знаходиться поблизу ВМТ, тобто камери згоряння, температура в якій є найвищою і може становити до 1200 °C, то верхня частина циліндра 1 і поршня 3 мають найвищу температуру, яка перевищує температуру пароутворення теплоносія (в даному описі - води). В ємності 7 відбувається утворення стисненої пари (тиск Р 1), витіканню якого перешкоджають ущільнювальні кільця 8, розташовані з двох боків ємності 7. При русі поршня 3 від ВМТ до НМТ стиснута пара в ущільненій ємності 7 переноситься поршнем 3 до НМТ (фіг. 2). Поблизу НМТ ємність 7 починає сполучатися з попередньо відкритим регульованим виходом 10 для стисненої пари. Так як тиск пари Р1 в ємності 7 більше тиску Р2 в паронакопичувачі 12, що регулюється клапаном 13, то порція стиснутої пари в ємності 7 за час сполучання з відкритим регульованим виходом 10 перетікає в паронакопичувач 12 і вихід 10 закривається. Можна використовувати для передачі пари в паронакопичувач 12 спеціальну помпу (не показано). При досягненні поршнем 3 НМТ відкривається регульований вхід 11 для пари, крізь який пара з паронакопичувача 12 надходить в простір під поршнем і передає тиск пари на поверхню поршня 3 з боку штока 4.Цим забезпечується робочий хід поршня (рух поршня вгору від НМТ до ВМТ в режимі парового циклу) дід дією пари. Цей робочий рух поршня 3 передається шатуном 5 для обертання колінчастого вала. Після подачі порції пари з паронакопичувача 12 регульований вхід 11 для пари закривається. При підході поршня 3 до ВМТ повторюється описаний вище процес подачі порції води крізь регульований вхід 9 для подачі води. При ході поршня 3 вниз від ВМТ до НМТ (хід викиду відпрацьованої пари в режимі парового циклу) відкривається регульований вихід 14 для відпрацьованої пари (при цьому регульовані вихід 10 і вхід 11 для стиснутої пари в ємності 7 поршня 3 закриті) і відпрацьована пара виходить в систему (не показана) утилізації відпрацьованої пари, де вона, в тому числі, перетворюється у воду, яка потім може подаватися на регульований вхід 9 для подачі води. При досягненні поршнем НМТ регульований вихід 14 для відпрацьованої пари закривається. Керування механізмами відкриття і закриття регульованих входів і виходів 9, 10, 11, 14 для води і для пари, а також регулюючого клапана 13, може здійснюватися, наприклад, спеціальною системою з комп'ютерним управлінням (не показано). ДВЗ, що заявляється, працює від палива в звичайному чотиритактному режимі паливного циклу (в зв'язку із загальновідомістю чотиритактний режим паливного циклу не описаний), а від пари в двотактному режимі парового циклу. При цьому перший такт парового циклу (хід поршня від НМТ до ВМТ) є робочим і збігається зі звичайними тактами стиснення і випуску відпрацьованого газу чотиритактного режиму паливного циклу ДВЗ, а другий такт парового циклу (хід поршня від НМТ до ВМТ) є тактом випуску відпрацьованої пари і збігається зі 2 UA 113702 C2 5 10 15 20 звичайними робочим тактом і тактом всмоктування газопаливної суміші (бензиновий двигун) в циліндр. Таким чином, практично не змінюючи роботу ДВЗ від палива (чотиритактний режим паливного циклу), можна збільшити к.к.д. ДВЗ за рахунок забезпечення тактів стиснення газового палива і випуску відпрацьованого газу паливного циклу додатковими робочими зусиллями при робочому такті парового циклу за рахунок розширення пари, для утворення якого використовується теплова енергія, що утворюється при згорянні палива, яка раніше втрачалася. Технічне рішення, що заявляється, дозволяє більш ефективно здійснювати відбір тепла практично в зоні камери згоряння, де температура нагріву циліндра і поршня є найвищою і не вимагає установки додаткових парових циліндрів для утилізації тепла ДВЗ. Крім того відбір тепла в зоні камери згоряння дозволяє зменшити нагрів корпусу двигуна і поршня. При цьому, можливо вдасться прибрати в ДВЗ традиційну систему водяного охолодження, але це є предметом додаткових досліджень. Джерела інформації: 1. Підручник "Теплота. Молекулярна фізика. Теплові машини", http://sfiz.ru/page.php 2. Патент RU 2117803. 3. Патент RU 2491430. 4. Двигун Кроуена. http://www.popmech.ru/technologies/7664-parovoy-fantom-topliva-6-taktnyydvigatel-krouera/ ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 1. Паливо-паровий двигун внутрішнього згоряння, який має систему (2) подачі і займання палива і видалення відпрацьованого газу, циліндр (1) з нижньою стінкою (6), поршень (3) зі штоком (4), шатун (5) кривошипно-шатунного механізму, з'єднаний зі штоком (4), який відрізняється тим, що на зовнішній поверхні поршня (3) виконана виїмка, яка з внутрішньою поверхнею циліндра утворює ємність (7), герметизовану ущільнювальними кільцями (8), у верхній частині циліндра (1) є регульований вхід (9), який сполучається з ємністю (7), коли поршень знаходиться поблизу верхньої мертвої точки (ВМТ), для подачі теплоносія, який може при нагріванні перетворюватися в стиснену (Р1) пару, а в нижній частині циліндра (1) є регульований вихід (10) для стисненої пари, отриманої в результаті нагрівання теплоносія в ємності (7), і регульований вхід (11) для стисненої пари, які сполучаються з паронакопичувачем (12), а також в нижній частини циліндра (1) є регульований вихід (14) для відпрацьованої пари. 2. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що теплоносієм є вода. 3. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що паронакопичувач (12) має регулюючий клапан (13), за допомогою якого в паронакопичувачі (12) підтримується тиск (Р 2), який нижче тиску (Р1) пари в ємності (7). 3 UA 113702 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4