RU2009111735A - Способ работы и устройство комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом на базе поршневого двигателя внутреннего сгорания - Google Patents

Abstract

1. Способ работы комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом на базе поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающий подачу воздуха компрессором во впускной коллектор, его охлаждение распыливанием холодной воды, охлаждение продуктов сгорания последовательно в котле и в контактном конденсаторе до температуры, при которой выделившийся конденсат можно охладить до температуры холодной воды наружным воздухом в водовоздушном радиаторе, затем их расширение в турбодетандере (турбине), отделение каплей воды в контактном конденсаторе и турбодетандере (турбине) при расширении продуктов сгорания, подачу холодной воды в контактный конденсатор для охлаждения продуктов сгорания и в систему впуска для охлаждения воздуха, снижение максимальной температуры сгорания благодаря испарению капель воды при сжигании топлива в камерах сгорания, отдачу теплоты из масла системы смазки нагреваемой воде в водораспределительном устройстве через разделяющие стенки водомасляного теплообменника, подачу нагретой воды в котел из водораспределительного устройства и подачу пара из котла в расширительное устройство для получения полезной работы, регулирование давления газов в конденсаторе их дросселированием перед рабочим колесом турбодетандера (турбины) в зависимости от температуры наружного воздуха, отличающийся тем, что снижают максимальную температуру сгорания благодаря испарению капель воды при сжигании топлива в камерах сгорания при коэффициентах избытка воздуха α=1,0÷1,2 в газовых и бензиновых (с принудительным воспламенением) и α≥1,1 в дизельных (с самовоспламенением) двигателях, при которых организуют �

Claims (32)

1. Способ работы комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом на базе поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающий подачу воздуха компрессором во впускной коллектор, его охлаждение распыливанием холодной воды, охлаждение продуктов сгорания последовательно в котле и в контактном конденсаторе до температуры, при которой выделившийся конденсат можно охладить до температуры холодной воды наружным воздухом в водовоздушном радиаторе, затем их расширение в турбодетандере (турбине), отделение каплей воды в контактном конденсаторе и турбодетандере (турбине) при расширении продуктов сгорания, подачу холодной воды в контактный конденсатор для охлаждения продуктов сгорания и в систему впуска для охлаждения воздуха, снижение максимальной температуры сгорания благодаря испарению капель воды при сжигании топлива в камерах сгорания, отдачу теплоты из масла системы смазки нагреваемой воде в водораспределительном устройстве через разделяющие стенки водомасляного теплообменника, подачу нагретой воды в котел из водораспределительного устройства и подачу пара из котла в расширительное устройство для получения полезной работы, регулирование давления газов в конденсаторе их дросселированием перед рабочим колесом турбодетандера (турбины) в зависимости от температуры наружного воздуха, отличающийся тем, что снижают максимальную температуру сгорания благодаря испарению капель воды при сжигании топлива в камерах сгорания при коэффициентах избытка воздуха α=1,0÷1,2 в газовых и бензиновых (с принудительным воспламенением) и α≥1,1 в дизельных (с самовоспламенением) двигателях, при которых организуют полное сгорание топлива с допустимым содержанием в продуктах сгорания окиси углерода, сажи (углерода) и углеводородов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воду подают в воздух, поступающий в компрессор бензинового (с принудительным воспламенением) двигателя для квазиизотермического его сжатия, при этом распиливают ее с такими размерами капель и в таком количестве, при котором степень сжатия двигателя повышается без возникновения детонации, а эффективный КПД двигателя становится наибольшим.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в дизельном (с самовоспламенением) двигателе подают нагретую воду в котле до температуры кипения при давлении большем максимального давления сгорания в газовые теплоизолированные цилиндры в начале расширения при сжигании топлива с наиболее низким коэффициентом избытка воздуха, но >1,1, обеспечивающим качественное смесеобразование и полное сгорание топлива без образования сажи (углерода), окиси углерода и углеводородов в продуктах сгорания, при этом переходят на частичные нагрузки количественным регулированием мощности (изменением количества поступающего воздуха в цилиндры при постоянном коэффициенте избытка воздуха).

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что воду распыливают в нагреваемом воздухе при его сжатии в компрессоре или в цилиндрах с определенными средними размерами капель в количестве, при котором возникает надежное воспламенение топлива в дизельном (с самовоспламенением) двигателе на всех режимах при допустимой жесткости его работы.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что резко увеличивают эффективную мощность (приемистость) и давление надувочного воздуха, благодаря увеличению срабатываемого теплоперепада на рабочем колесе турбодетандера (турбины) в результате изменения проходного сечения и положения лопаток направляющего соплового аппарата при сохранении коэффициента избытка воздуха в цилиндрах α=1,0÷1,2 в газовых и бензиновых (с принудительным воспламенением) и α≥1,1 в дизельном (с самовоспламенением) двигателях.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что в газовом и бензиновом (с принудительным воспламенением) двигателях устанавливают постоянный наивыгоднейший угол опережения зажигания на всех режимах работы, а возникающую детонацию подавляют увеличением количества распиливаемой холодной воды в воздухе, поступающем в цилиндры.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество подаваемой питательной воды в котел, температуру воды или пара и их давление изменяют в зависимости от режима работы двигателя и максимальной энтальпии образующегося теплоносителя, при этом охлаждают продукты сгорания в этом котле до 150°С.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что образовавшийся пар в котле подают в газовые цилиндры в начале расширения через впускные паровые клапаны и завихрители при более высокой степени сжатия, чем у базового двигателя с давлением, превышающим давление газов в этих цилиндрах в таком количестве и с такой температурой, при которых не происходит детонация в камерах сгорания газового и бензинового (с принудительным воспламенением) двигателей, а в цилиндрах дизельного (с самовоспламенением) двигателя совершается эффективная работа с наиболее высоким КПД.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что количество подаваемой питательной воды в котел регулируют по температуре выпускных газов на выходе из этого котла.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что количество подаваемой питательной воды в котел регулируют по давлению в нем пара.

11. Способ по п.7, отличающийся тем, что количество подаваемой питательной воды в котел регулируют по температуре в нем пара.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что распыливают смесь бензина и воды в воздухе, поступающем в цилиндры, с такими средними размерами капель и в таком соотношении, при котором требования к октановому числу топлива получаются наименьшими, степень сжатия и эффективный КПД наибольшими.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что распыливают смесь дизельного топлива и воды в воздухе, поступающем в цилиндры, с такими средними размерами капель и в таком соотношении, при которых эффективный КПД дизеля (с самовоспламенением) становится наибольшим при допустимой жесткости его работы, не превышающей у существующих двигателей.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что пар подают в паровой(ые) цилиндр(ы) через впускной(ые) паровой(ые) клапан(ы) при его(их) открытии в верхней (внутренней) мертвой точке, а закрывают его(их) по допустимому снижению давления пара в парогенераторе, при котором эффективный КПД двигателя начинает снижаться.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что при уменьшении уровня воды в водораспределительных устройствах холодной или горячей воды повышают давление газов в конденсаторе или доливают воду в эти емкости.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выключенном двигателе и снижении температуры холодной воды до температуры замерзания двигатель запускается автоматически или вручную.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что при снижении температуры холодной воды в двигателе до температуры замерзания, воду из системы подачи воды и пара сливают автоматически или вручную по трубопроводу в теплоизолированную емкость электронасосом, а при его пуске подогревают ее электронагревателем и заливают вновь в эту систему из этой емкости.

18. Способ работы комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом осуществляют регулированием давления газов в конденсаторе в результате их дросселирования и расширения в дроссельной заслонке, а воздух подают в цилиндры всасыванием через впускной коллектор, при этом распыливают холодную воду в этом воздухе на всех режимах с такими средними размерами капель и в таком количестве, при которых эффективный КПД цикла бензинового (с принудительным воспламенением) двигателя становится наибольшим при повышенной степени сжатия и работе без детонации.

19. Устройство комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом, содержащее газовые цилиндры базового поршневого двигателя для расширения продуктов сгорания, котел, совмещенный с выпускным коллектором, конденсатор с турбодетандером (турбиной), расположенные последовательно вдоль выпускного газопровода и соединенные газовой связью с цилиндрами этого двигателя, компрессор, подключенный к цилиндрам для подачи воздуха и соединенный с турбодетандером (турбиной), а также водораспределительные устройства горячей и холодной воды, соединенные между собой, с конденсатором и водовоздушным радиатором трубопроводами, топливные форсунки во впускных патрубках, соединенные топливопроводами с топливным насосом, фильтром и регулятором расхода для подачи топлива в цилиндры, отличающееся тем, что содержит теплоизолированные детали камеры сгорания [головку (крышки) цилиндров, поршни и газовые цилиндры], котел, совмещенный с теплоизолированным выпускным коллектором, форсунки и насос высокого давления с регулятором расхода для подачи воды в цилиндры из котла в начале расширения, причем форсунки располагаются в головке (крышках) цилиндров так, что вода, вытекающая из сопел, превращается сразу в пар и организует вихревые движения горючей смеси в камере сгорания для улучшения процессов смесеобразования и сгорания.

20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что для подачи пара в теплоизолированные цилиндры вместо форсунок установлены паровые впускные клапаны с завихрителями в теплоизолированной(ых) головке (крышках) цилиндров для улучшения процессов смесеобразования и сгорания, соединенные трубопроводами с котлом, к которому вода подается питательным насосом через регулятор расхода воды.

21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что теплоизолированный(ые) газовый(ые) цилиндр(ы) традиционного двигателя отключен(ы) от впускного и выпускного коллекторов, к впускному(ым) клапану(ам) этого(их) цилиндра(ов) подключен(ы) теплоизолированным(и) паропроводом(амии) котел, а выпускному(ым) клапану(ам) подсоединен(ы) конденсатор теплоизолированным(и) теплопроводом(амии) через обратный(ые) клапан(ы), предотвращающий(е) обратную подачу пара или газов в цилиндр(ы), при этом впускной(ые) клапан(ы) начинает(ют) открываться в верхней мертвой точке, а закрывается(ются) при таком давлении пара в цилиндре(ах), при котором эффективный КПД двигателя начинает снижаться.

22. Устройство по п.19, отличающееся тем, что содержит теплоизолированную емкость с высоким сопротивлением теплопередаче стенок, электрическим водонагревателем, воздушным и паровым клапанами, заливной горловиной, которая подключена через электронасос и запорный клапан к системе подачи воды и пара, этот электронасос связан с пультом управления, а эта емкость может отсоединяться от этой системы и переноситься в теплое помещение для хранения, а также нагрева в нем воды для подогрева двигателя перед пуском.

23. Устройство по п.19, отличающееся тем, что содержит теплоизолированные водораспределительные устройства горячей и холодной воды, конденсатор, котел, водовоздушный радиатор, соединительные водопроводы и запорнорегулирующую арматуру, конструкции которых позволяют осуществить надежный спуск воды из двухфазной системы подачи воды и пара вручную или автоматически при снижении температуры холодной воды до температуры замерзания, а также осуществить заполнение этой системы водой перед пуском двигателя.

24. Устройство по п.19, отличающееся тем, что содержит водораспределительное устройства горячей воды, поделенное перфорированными перегородками на три части, в средней части которого расположены водомасляный теплообменник, патрубки подвода конденсата из конденсатора и отвода подогретой питательной воды в котел, в нижней его части находятся патрубки подвода конденсата из конденсатора и отвода смешанной воды в водораспределительное устройство холодной воды, при этом сечение водораспределительного устройства горячей воды выбирают таким, чтобы скорость движения воды в перфорированных отверстиях нижней перегородки была выше скорости всплывания углеводородов (0,2÷0,3 м/с) для того, чтобы их можно было переносить в водораспределительное устройство холодной воды с целью их подачи в воздух, поступающий в цилиндры.

25. Устройство по п.19, отличающееся тем, что содержит форсунки во впускных патрубках, соединенные с водопроводами для подачи холодной воды из водораспределительного устройства, на которых установлены насос и регулятор расхода, а также имеет карбюратор, подключенный к впускному коллектору и топливному насосу трубопроводом, на котором расположен топливный фильтр, при этом размеры распылителей форсунок имеют такие размеры, которые образовывают капли, превращающиеся в рабочее тело при сжигании топлива, а насос имеет такую конструкцию, которая обеспечивает подачу воды вместе с регулятором расхода 0,5÷1,25 от цикловой подачи топлива при наиболее высокой степени сжатия и работе без детонации.

26. Устройство по п.19, отличающееся тем, что содержит карбюратор, подключенный к впускному коллектору, топливопроводу для подачи топлива топливным насосом через топливный фильтр и регулятор расхода топлива, а также водопроводу холодной воды для подачи ее водяным насосом через регулятор расхода воды, при этом перемешивание топлива с водой предусмотрено в поплавковой камере, а размеры распылителя карбюратора и его диффузора имеют определенные размеры для получения в воздухе необходимого размера капель, при котором эффективный КПД двигателя становится наибольшим при наиболее высокой степени сжатия и работе без детонации.

27. Устройство по п.19, отличающееся тем, что содержит специальный смеситель топлива и воды, который подключен к водораспределительному устройству холодной воды двумя водопроводами, на первом из них установлен водяной насос, а на втором регулятор расхода, он также еще соединен с топливным насосом топливопроводом, на котором расположен топливный фильтр и регулятор расхода топлива, кроме этого этот смеситель подключен трубопроводами через насос и регулятор расхода к форсункам бензинового (с принудительным воспламенением) двигателя, расположенными на патрубках впускного коллектора, или он соединен трубопроводом через насос высокого давления, регулятор расхода и редукционный клапан с форсунками дизельного (с самовоспламенением) двигателя, установленными в теплоизолированной(ых) головке (крышках) цилиндра, при этом размеры распылителей форсунок подбираются такими, чтобы образующиеся капли воды при сгорании топлива превращались в рабочее тело, а конструкция насоса совместно с регулятором расхода могла обеспечить подачу воды 0,5÷1,25 от цикловой подачи топлива при наиболее высокой степени сжатия и работе без детонации.

28. Устройство по п.19, отличающееся тем, что образован замкнутый циркуляционный контур под действием питательного насоса через котел и первое запорное устройство, связанное с логическим устройством электросвязью, для работы в нормальном режиме на паропроводе, соединяющем котел с впускным(и) паровым(и) клапаном(ами) парового(ых) цилиндра(ов), установлено второе запорное устройство и клапан для сообщения этого(их) парового(ых) цилиндра(ов) с атмосферой для уменьшения работы насосных ходов отключенного(ых) парового(ых) цилиндра(ов), которые связаны электросвязями с логическим устройством.

29. Устройство по п.19, отличающееся тем, что в применяемых цилиндрических устройствах патрубки подвода и отвода жидкостей цилиндрической формы расположены тангенциально к внутренним цилиндрическим поверхностям емкостей для перемешивания теплоносителей с различной температурой, а также повышения коэффициента теплопередачи через стенки водомасляного теплообменника, при этом патрубки отвода воды располагаются вертикально в центре этих устройств и имеют перфорированные отверстия для забора перемешанной воды, и выходят они через боковые верхние или нижние стенки наружу.

30. Устройство по п.19, отличающееся тем, что содержит водяной насос и форсунки для добавления воды в воздух во впускных патрубках газовых и бензиновых (с принудительным воспламенением) двигателей, водяной насос и форсунки для подачи воды в теплоизолированные цилиндры дизельного (с самовоспламенением) двигателя и распыливания ее там в воздухе, при этом размеры насосов и распылителей форсунок имеют такие размеры, что вода распыливается на номинальной и частичных нагрузках в количестве и с такими средними размерами капель, которая при сжатии становится теплоносителем, а при сгорании топлива превращается в рабочее тело.

31. Устройство по п.19, отличающееся тем, что содержит пульт управления работой двигателя в ручном и автоматическом режимах, который связан с датчиками температуры, давления, детонации и расхода теплоносителей, а также логическим и исполнительными устройствами.

32. Устройство комбинированного поршневого газового или бензинового (с принудительным воспламенением) и дизельного (с самовоспламенением) двигателей содержит дроссельную заслонку в выпускном газопроводе для регулирования давления газов в конденсаторе, распылители воды в конденсаторе для снижения температуры продуктов сгорания, при этом для подачи топлива в бензиновом (с принудительным воспламенением) двигателе устанавливают форсунки во впускных патрубках, а в дизельном (с самовоспламенением) их размещают в теплоизолированной(ых) головке (крышках) цилиндров, а регулируют количество подаваемого воздуха в цилиндры в том и другом двигателе дроссельной заслонкой во впускном воздухопроводе при различных режимах работы.