RU2472023C2 - Operating method (versions) and arrangement of compound engine with two-phase working medium based on piston-type internal combustion engine (versions) - Google Patents
Operating method (versions) and arrangement of compound engine with two-phase working medium based on piston-type internal combustion engine (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2472023C2 RU2472023C2 RU2009111735A RU2009111735A RU2472023C2 RU 2472023 C2 RU2472023 C2 RU 2472023C2 RU 2009111735 A RU2009111735 A RU 2009111735A RU 2009111735 A RU2009111735 A RU 2009111735A RU 2472023 C2 RU2472023 C2 RU 2472023C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- fuel
- engine
- steam
- air
- Prior art date
Links
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 157
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 title abstract 2
- 238000011017 operating method Methods 0.000 title 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 468
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 177
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 34
- 238000005474 detonation Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 131
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 69
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 51
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 51
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 claims description 18
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims description 17
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 15
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 11
- 238000007710 freezing Methods 0.000 claims description 10
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims description 6
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims description 3
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 claims description 2
- 239000008236 heating water Substances 0.000 claims description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 2
- 241000218642 Abies Species 0.000 claims 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 abstract description 8
- 230000005494 condensation Effects 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 6
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 abstract description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 abstract 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 abstract 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 98
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 description 18
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 10
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 9
- 210000000056 organs Anatomy 0.000 description 8
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 6
- TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N Octane Chemical compound CCCCCCCC TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000011068 load Methods 0.000 description 5
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 5
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 4
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 3
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 2
- 230000001154 acute Effects 0.000 description 2
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 2
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 2
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000002915 spent fuel radioactive waste Substances 0.000 description 2
- 230000001960 triggered Effects 0.000 description 2
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 2
- 241000282326 Felis catus Species 0.000 description 1
- 208000000143 Urethritis Diseases 0.000 description 1
- 235000010599 Verbascum thapsus Nutrition 0.000 description 1
- 240000000969 Verbascum thapsus Species 0.000 description 1
- 238000000540 analysis of variance Methods 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009428 plumbing Methods 0.000 description 1
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M potassium hydroxide Inorganic materials [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- 239000008400 supply water Substances 0.000 description 1
- 230000002588 toxic Effects 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 1
- 239000010913 used oil Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания для повышения их КПД, улучшения их топливной экономичности, снижения вредных выбросов в атмосферу, а также повышения их надежности.The invention relates to mechanical engineering and can be used in internal combustion engines to increase their efficiency, improve their fuel efficiency, reduce harmful emissions into the atmosphere, and increase their reliability.
Известен способ работы и устройство поршневого двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом (патент РФ 2232913, кл. F02G 5/04, F01K 23/14, F02В 47/02, 75/10).A known method of operation and device piston internal combustion engine with a gas-steam working fluid (RF patent 2232913, CL F02G 5/04, F01K 23/14, F02B 47/02, 75/10).
Устройство включает поршневой двигатель внутреннего сгорания, конденсатор, устройства охлаждения продуктов сгорания, распылители воды, установленные во впускной системе и подключенные к емкости с водой водопроводами через регулятор расхода и водяной насос. Вдоль выпускной системы последовательно по ходу движения газов расположены парогенератор, совмещенный с выпускным коллектором, контактный конденсатор, турбодетандер (турбина) или винтовая расширительная машина, соединенные механической связью с электрогенератором, и влагоотделитель. Вдоль впускной системы последовательно по ходу движения воздуха расположены воздушный фильтр, компрессор, контактный воздухоохладитель и впускной коллектор. При этом поддон влагоотделителя подключен водопроводом к холодной части аккумулятора воды, поддоны контактных конденсатора и воздухоохладителя соединены водопроводами с горячей частью аккумулятора воды, парогенератор подключен подводящим водопроводом к горячей части аккумулятора воды и отводящим паропроводом с аккумулятором пара, от которого отведены паропроводы к турбине или винтовой расширительной машине, соединенные механической связью с компрессором.The device includes a reciprocating internal combustion engine, a condenser, cooling devices for combustion products, water sprayers installed in the intake system and connected to the water tank by water pipes through a flow regulator and a water pump. Along the exhaust system, a steam generator, combined with an exhaust manifold, a contact condenser, a turboexpander (turbine) or a screw expansion machine, connected mechanically to an electric generator, and a moisture separator are arranged sequentially along the gas flow. Along the intake system, an air filter, a compressor, a contact air cooler and an intake manifold are arranged sequentially along the air flow. In this case, the dehumidifier tray is connected by a water supply system to the cold part of the water accumulator, the contact condenser and air cooler trays are connected by water supply to the hot part of the water accumulator, the steam generator is connected by the inlet water supply to the hot part of the water accumulator and a discharge steam line with the steam accumulator, from which the steam pipelines to the turbine or expansion screw are allotted a machine connected mechanically to a compressor.
Способ работы этого поршневого двигателя реализуется подачей воздуха компрессором в цилиндры двигателя, который приводится паровой турбиной. Продукты сгорания охлаждаются в парогенераторе, контактном конденсаторе и турбодетандере (турбине), а надувочный воздух в контактном воздухоохладителе. Пар подается в турбину из аккумулятора, который генерируется теплотой продуктов сгорания. Вода впрыскивается в камеры сгорания из горячей части аккумулятора, куда она подается из конденсатора. Холодная часть этого аккумулятора снабжается водой, выделяющейся во влагоотделителе за турбодетандером (турбиной), при этом регулируют показатель рН горячей воды больше 7, поступающей из конденсатора в аккумулятор воды, добавлением аммиака в эту воду и количества подаваемого воздуха компрессором в соответствии с минимально допустимым коэффициентом избытка воздуха.The method of operation of this piston engine is implemented by supplying air to the cylinders of the engine, which is driven by a steam turbine. The combustion products are cooled in a steam generator, a contact condenser and a turboexpander (turbine), and the charge air in a contact air cooler. Steam is supplied to the turbine from the accumulator, which is generated by the heat of the combustion products. Water is injected into the combustion chambers from the hot part of the battery, where it is supplied from the condenser. The cold part of this battery is supplied with water released in the dehumidifier behind the turboexpander (turbine), while regulating the pH of hot water above 7 coming from the condenser into the water accumulator, adding ammonia to this water and the amount of air supplied by the compressor in accordance with the minimum allowable excess coefficient air.
Недостатками этого известного способа работы и устройства поршневого двигателя являются сложность, большие размеры и масса, а также недостаточно высокий КПД, который должен ограничиваться действиями первого и второго законов термодинамики.The disadvantages of this known method of operation and the design of a piston engine are complexity, large dimensions and mass, as well as insufficiently high efficiency, which should be limited to the actions of the first and second laws of thermodynamics.
Наиболее близким к заявленному способу работы и устройству комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом на базе поршневого двигателя внутреннего сгорания является по технической сущности и достигаемому результату способ работы и устройство комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом на базе поршневого двигателя внутреннего сгорания, опубликованные на сайте Интернета www.wipo.int/pctdb № WO 2008/094071 от 16.10.2008.The closest to the claimed method of operation and the device of a combined engine with a two-phase working fluid based on a reciprocating internal combustion engine is the technical essence and the achieved result, the method of operation and the device of a combined engine with a two-phase working fluid based on a reciprocating internal combustion engine, published on the Internet website www. wipo.int/pctdb No. WO 2008/094071 dated 10/16/2008.
Базовым оборудованием этого двигателя служит поршневой двигатель внутреннего сгорания, паровая расширительная машина или паровой(ые) цилиндр(ы). Эта расширительная машина или этот(и) цилиндр(ы) подключен(ы) к парогенератору и конденсатору. Для повышения температуры пара при низких температурах продуктов сгорания организован замкнутый циркуляционный контур через парогенератор. Базовый поршневой двигатель используется с традиционной системой охлаждения и без нее. В последнем случае охлаждение рабочего тела осуществляется распыливанием в нем холодной воды с определенными средними размерами капель и в необходимом количестве. Объем камеры сгорания в газовых цилиндрах с принудительным воспламенением топлива устанавливают таким, чтобы эффективный КПД комбинированного двигателя был наибольшим и отсутствовала детонация в цилиндрах благодаря распыливанию воды с необходимыми средними размерами капель в требуемом количестве во впускном воздухопроводе и нагреву ее до температуры кипения к концу сжатия воздухом, а также охлаждению продуктов сгорания при горении топлива испарением капель воды, нагретой до температуры кипения.The basic equipment of this engine is a reciprocating internal combustion engine, a steam expansion machine or steam (s) cylinder. This expansion machine or this (s) cylinder (s) is connected (s) to the steam generator and condenser. To increase the temperature of steam at low temperatures of the combustion products, a closed circulation loop is organized through the steam generator. The basic piston engine is used with and without a traditional cooling system. In the latter case, the working fluid is cooled by spraying cold water in it with certain average droplet sizes and in the required amount. The volume of the combustion chamber in gas cylinders with forced ignition of the fuel is set so that the effective efficiency of the combined engine is greatest and there is no detonation in the cylinders due to atomization of water with the required average droplet sizes in the required amount in the inlet duct and heating it to a boiling point by the end of compression with air, as well as cooling the combustion products during fuel combustion by evaporating drops of water heated to a boiling point.
Пар для работы паровой расширительной машины или подачи его в паровой(ые) цилиндр(ы) получается в парогенераторе благодаря нагреву питательной воды теплотой масла системы смазки, воды системы охлаждения, а также продуктов сгорания. При отсутствии традиционной системы охлаждения продукты сгорания охлаждаются в цилиндрах испарением нагретых капель воды. Эти капли образуются в системе впуска распыливанием охлажденной воды в радиаторе наружным воздухом, а нагреваются до температуры кипения от сжимаемого и нагреваемого воздуха при сжатии как в компрессоре, так и в цилиндрах. Испаряющиеся капли в цилиндрах при горении топлива подавляют детонацию и позволяют повысить степень сжатия двигателя с принудительным воспламенением, а также увеличить количество рабочего тела. Отработавший пар конденсируется в конденсаторе, а водяной пар и углеводороды из продуктов сгорания тоже благодаря их охлаждению распыливанием холодной воды, которая получается из конденсата путем ее охлаждения в радиаторе наружным воздухом. Снижение вредных выбросов происходит, в основном, в результате уменьшения диссоциации продуктов сгорания, конденсации углеводородов из продуктов сгорания на поверхностях капель воды в конденсаторе и сжиганию их вместе с распыленной водой в камерах сгорания, а также благодаря содержанию в каплях воды растворенного аммиака.Steam for operating the steam expansion machine or feeding it into the steam cylinder (s) is obtained in the steam generator by heating the feed water with the heat of the oil of the lubrication system, water of the cooling system, as well as combustion products. In the absence of a traditional cooling system, the combustion products are cooled in cylinders by the evaporation of heated drops of water. These droplets are formed in the intake system by spraying chilled water in the radiator with outside air, and they are heated to the boiling point of the compressible and heated air during compression both in the compressor and in the cylinders. Evaporating droplets in the cylinders during fuel combustion suppress detonation and increase the compression ratio of the engine with forced ignition, as well as increase the amount of working fluid. The exhaust steam is condensed in the condenser, and water vapor and hydrocarbons from the combustion products also due to their cooling by spraying cold water, which is obtained from the condensate by cooling it in the radiator with outside air. Reduction of harmful emissions occurs mainly as a result of a decrease in the dissociation of combustion products, condensation of hydrocarbons from the combustion products on the surfaces of water droplets in the condenser and their combustion along with atomized water in the combustion chambers, and also due to the content of dissolved ammonia in the water droplets.
Основными недостатками этого прототипа являются недостаточная надежность работы при низких температурах наружного воздуха, сложность конструкции, а проблема повышения эффективного КПД решается, в основном, у бензиновых (с принудительным воспламенением) двигателей.The main disadvantages of this prototype are the lack of reliable operation at low outdoor temperatures, the complexity of the design, and the problem of increasing effective efficiency is solved mainly in gasoline (with forced ignition) engines.
Целью изобретения является повышение КПД не только бензинового (с принудительным воспламенением) двигателя, но также газового и дизельного двигателей до уровня, ограничиваемого первым и вторым законами термодинамики, повышение надежности работы этих двигателей при их эксплуатации в области низких температур наружного воздуха, а также уменьшение трудоемкости их изготовления и снижения стоимости.The aim of the invention is to increase the efficiency of not only a gasoline (with forced ignition) engine, but also gas and diesel engines to a level limited by the first and second laws of thermodynamics, to increase the reliability of these engines when they are used in the field of low outdoor temperatures, and also to reduce the complexity their manufacture and cost reduction.
Поставленная цель решается тем, что в способе работы комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом, включающим 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 охлаждается до температуры холодной воды наружным воздухом в водовоздушном радиаторе, затем их расширение в турбодетандере (турбине), отделение капель 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, осуществляют их в результате снижения максимальной температуры 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 наиболее низком, но большем 1,1 в дизельных (с самовоспламенением) двигателях, при которых организуют полное сгорание топлива при отсутствии химической неполноты сгорания. Причем воду подают в воздух, поступающий в компрессор бензинового (с принудительным воспламенением) двигателя для уменьшения температуры этого воздуха при его сжатии в компрессоре, при этом распыливают ее с такими размерами капель и в таком количестве, при котором степень сжатия двигателя повышается без возникновения детонации, а эффективный КПД становится наибольшим. Кроме того, 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 обеспечивающее качественное смесеобразование и полное сгорание топлива, при этом переходят на частичные нагрузки количественным регулированием мощности (изменением количества поступающего воздуха в цилиндры при постоянном коэффициенте избытка воздуха). Причем воду распыливают в нагреваемом воздухе при его сжатии в компрессоре и цилиндрах, при которых возникает надежное воспламенение капель топлива в дизельном (с самовоспламенением) двигателе на всех режимах при допустимой жесткости его работы. Кроме того, увеличивают эффективную мощность и давление надувочного воздуха благодаря увеличению срабатываемого теплоперепада на рабочем колесе турбодетандера(турбины) в результате уменьшения проходного сечения 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 дизельных (с самовоспламенением) двигателях. Кроме того, в газовом и бензиновом (с принудительным воспламенением) двигателях устанавливают постоянный или наивыгоднейший угол опережения зажигания на всех режимах работы, а возникающую детонацию подавляют увеличением количества распыливаемой холодной воды в воздухе, поступающем в цилиндры. Причем количество подаваемой питательной воды в котел или температуру и давления воды (пара) изменяют в зависимости от режима работы двигателя, при этом охлаждают продукты сгорания в этом котле до 150°С. Кроме того, 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) двигателях, а в цилиндрах дизельного (с самовоспламенением) двигателя совершается эффективная работа с наиболее высоким КПД. Причем количество подаваемой питательной воды в котел регулируется по температуре выпускных газов на выходе из этого котла, или давлению, или температуре пара на выходе из котла. Кроме того, распыливают смесь бензина и воды в воздухе, поступающем в цилиндры, при котором требования к октановому числу топлива получаются наименьшими, степень сжатия и эффективный КПД наибольшими. Причем распыливают смесь воды и дизельного топлива в соотношении 0,5÷1,25 от цикловой подачи топлива в воздухе, поступающем в цилиндры, при котором эффективный КПД дизеля (с самовоспламенением) становится наибольшим при допустимой жесткости его работы, не превышающей у существующих двигателей. Кроме того, пар подают в паровой(ые) цилиндр(ы) через впускной(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. Причем при уменьшении уровня воды в водораспределительных устройствах холодной и горячей воды повышают давление газов в конденсаторе или доливают воду в эти емкости, а в выключенном двигателе и снижении температуры холодной воды до температуры замерзания двигатель запускается автоматически или вручную. В случае снижения 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. Кроме того, поставленная цель решается тем, что в способе работы комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом создают давление 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 котором эффективный КПД цикла бензинового (с принудительным воспламенением) двигателя становится наибольшим при повышенной степени сжатия и работе без детонации.This goal is solved by the fact that in the method of operating a combined engine with a two-phase working fluid, including supplying air to the intake manifold by a compressor, cooling it by spraying with cold water, cooling the combustion products in series in the boiler and in the contact condenser to a temperature at which the condensate released is cooled to a temperature cold water with outside air in a water-air radiator, then their expansion in a turboexpander (turbine), separation of water droplets in a contact condenser and a turbo when expanding the combustion products, supplying cold water to the contact condenser for cooling the combustion products and to the intake system for cooling the air, lowering the maximum combustion temperature due to the evaporation of water droplets when burning fuel in the combustion chambers, heat transfer from the oil of the heated water lubrication system in the water distribution device through the dividing walls of the oil-water heat exchanger, the supply of heated water to the boiler from the water distribution device and the supply of steam from the boiler to the expansion The device for obtaining useful work, regulating the gas pressure in the condenser by throttling it in front of the impeller of the turboexpander (turbine) depending on the outdoor temperature, they are carried out as a result of lowering the maximum temperature of combustion due to the evaporation of water droplets when burning fuel in the combustion chambers with air excess factors α = 1.0 ÷ 1.2 in gas and gasoline (with forced ignition) and the lowest, but greater than 1.1 in diesel (self-igniting) engines, with cat ryh organize complete combustion of the fuel in the absence of chemical incomplete combustion. Moreover, the water is fed into the air entering the compressor of a gasoline (with forced ignition) engine to reduce the temperature of this air when it is compressed in the compressor, while spraying it with such droplet sizes and in such an amount that the compression ratio of the engine increases without causing detonation, and effective efficiency becomes greatest. In addition, in a diesel (self-igniting) engine, heated water is supplied in the boiler to a boiling point at a pressure higher than the maximum combustion pressure in gas insulated gas cylinders at the beginning of expansion when burning fuel with the lowest excess air coefficient, but ≥1.1 ensuring high-quality mixture formation and complete combustion of fuel, at the same time they switch to partial loads by quantitative power control (by changing the amount of incoming air into the cylinders at a constant coefficient of ytka air). Moreover, water is sprayed in the heated air when it is compressed in the compressor and cylinders, in which there is a reliable ignition of fuel droplets in a diesel (self-igniting) engine in all modes with an allowable rigidity of its operation. In addition, they increase the effective power and pressure of the charge air due to an increase in the triggered heat drop on the impeller of the turboexpander (turbine) as a result of a decrease in the bore of the guide nozzle apparatus while maintaining the coefficient of excess air in the cylinders α = 1.0 ÷ 1.2 in gas and gasoline ( with forced ignition) and α≥1,1 in diesel (self-igniting) engines. In addition, in gas and gasoline (with forced ignition) engines, a constant or most advantageous ignition timing is established in all operating modes, and the resulting detonation is suppressed by increasing the amount of cold water sprayed in the air entering the cylinders. Moreover, the amount of feed water to the boiler or the temperature and pressure of the water (steam) are changed depending on the engine operating mode, while the combustion products in this boiler are cooled to 150 ° C. In addition, the generated steam in the boiler is fed into the gas cylinders at the beginning of expansion through the inlet steam valves and swirls at a higher compression ratio than the base engine with a pressure exceeding the gas pressure in these cylinders in such an amount and with a temperature at which detonation occurs in the combustion chambers of gas and gasoline (with forced ignition) engines, and in the cylinders of a diesel (self-igniting) engine, efficient operation with the highest efficiency is performed. Moreover, the amount of feed water to the boiler is regulated by the temperature of the exhaust gases at the outlet of this boiler, or by the pressure or temperature of the steam at the outlet of the boiler. In addition, a mixture of gasoline and water is sprayed in the air entering the cylinders, in which the requirements for the octane number of the fuel are the least, the degree of compression and the most efficient. Moreover, a mixture of water and diesel fuel is sprayed in a ratio of 0.5 ÷ 1.25 from the cyclic supply of fuel in the air entering the cylinders, in which the effective efficiency of the diesel engine (with self-ignition) becomes the highest with the permissible rigidity of its operation not exceeding that of existing engines. In addition, steam is supplied to the steam cylinder (s) through the inlet valve (s) when it is opened at the top (inner) dead center, and it (they) is closed to allow a decrease in the steam pressure in the steam generator at which the effective engine efficiency begins to decline. Moreover, with a decrease in the water level in the water and cold and hot water distribution devices, they increase the gas pressure in the condenser or add water to these tanks, and when the engine is off and the cold water temperature drops to freezing temperature, the engine starts automatically or manually. In the event that the temperature of cold water in the engine drops to freezing, water from the water and steam supply system is automatically or manually drained through a pipeline into an insulated tank with an electric pump, and when it is started, it is heated with an electric heater and refilled into this system from this tank. In addition, the goal is solved by the fact that in the method of operation of the combined engine with a two-phase working fluid, the gas pressure in the condenser is created as a result of their throttling and expansion in the throttle valve, and air is supplied to the cylinders by suction through the intake manifold, while cold water is sprayed in this air in all modes with such average droplet sizes and in such a quantity that the effective efficiency of a gasoline (with forced ignition) engine cycle becomes greatest with increased compression ratio and operating without detonation.
Поставленная цель в устройстве комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом достигается тем, что содержит 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 радиаторам трубопроводами, топливные форсунки во впускных патрубках, соединенные топливопроводами с топливным насосом, фильтром и регулятором расхода для подачи топлива в цилиндры, а также 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 сопловые отверстия форсунок располагаются к стенкам камеры сгорания тангенциально или под острым углом для того, чтобы вытекающая из сопел пароводяная смесь организовывала вихревое движение горячей смеси в камере сгорания для улучшения процесса смесеобразования и сгорания. Кроме того, устройство комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом содержит 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, теплоизолированные детали камеры сгорания [головку (крышки) цилиндров, поршни и газовые цилиндры], котел, совмещенный с теплоизолированным выпускным коллектором, а также паровые впускные клапаны с завихрителями в теплоизолированной(ых) головке (крышках) цилиндров, соединенные трубопроводами с котлом, к которому вода подается питательным насосом через регулятор расхода воды. Кроме того, он содержит теплоизолированный(ые) паровой(ые) цилиндр(ы), к впускному(ым) клапану(ам) этого(их) цилиндра(ов) подключен(ы) теплоизолированным(и) паропроводом(ами) котел, а к выпускному(ым) клапану(ам) подсоединен(ы) конденсатор теплоизолированным(и) теплопроводом(ами) 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 становится наибольшим. Кроме того, устройство этого двигателя содержит теплоизолированную емкость с высоким сопротивлением теплопередаче стенок, 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. Кроме того, устройство комбинированного двигателя содержит теплоизолированные водораспределительные устройства горячей и холодной воды, конденсатор, котел, водовоздушный радиатор, соединительные водопроводы и запорно-регулирующую 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. Еще содержит водораспределительное устройство 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. Далее этот двигатель 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 распылители форсунки 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. В конструкции этого двигателя содержится 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.The goal in the device of a combined engine with a two-phase working fluid is achieved by the fact that it contains gas cylinders of the base piston engine for expanding combustion products, a boiler combined with an exhaust manifold, a condenser with a turboexpander (turbine) located in series along the exhaust gas pipeline and connected by gas communication with the cylinders of this engine, a compressor connected to the cylinders for air supply and connected to a turboexpander (turbine), as well as water distribution devices hot and cold water, interconnected with a condenser and air-water radiators by pipelines, fuel nozzles in the inlet pipes, connected by pipelines with a fuel pump, a filter and a flow regulator for supplying fuel to the cylinders, as well as heat-insulated parts of the combustion chamber [head (covers) cylinders, pistons and gas cylinders], a boiler combined with a heat-insulated exhaust manifold, nozzles and a high pressure pump with a flow regulator for supplying water to the cylinders from the boiler at the beginning asshireniya, wherein the nozzle holes are arranged nozzles to the combustion chamber walls tangentially or at an acute angle to flowing steam mixture from the nozzles organized vortical motion hot mixture in the combustion chamber to improve mixing and combustion process. In addition, the device of a combined engine with a two-phase working fluid contains gas cylinders of the base piston engine for expanding combustion products, a boiler combined with an exhaust manifold, a condenser with a turboexpander (turbine), arranged in series along the exhaust gas pipeline and connected by gas communication with the cylinders of this engine, a compressor connected to cylinders for air supply and connected to a turboexpander (turbine), as well as hot and cold water distribution devices interconnected with a condenser and a water-air radiator by pipelines, fuel nozzles in the inlet pipes, connected by pipelines with a fuel pump, filter and flow regulator for supplying fuel to the cylinders, heat-insulated parts of the combustion chamber [cylinder head (covers), pistons and gas cylinders] , a boiler combined with a thermally insulated exhaust manifold, as well as steam inlet valves with swirls in the thermally insulated cylinder head (s), connected by pipelines to the boiler to which water is supplied by a feed pump through a water flow regulator. In addition, it contains the heat-insulated steam (s) cylinder (s), the boiler is connected to the inlet valve (s) of this (s) cylinder (s) by the heat-insulated steam pipe (s), and a condenser is connected to the outlet valve (s) with a thermally insulated (s) heat conduit (s) through a non-return valve (s) to prevent the steam or gases from flowing back into the cylinder (s), while the inlet (s) the valve (s) starts (s) to open at top dead center, and closes (s) at a vapor pressure in the cylinder (s) at which the effective engine efficiency with ANOVA largest. In addition, the device of this engine contains a thermally insulated tank with high resistance to heat transfer from the walls, air and steam valves, a filler neck, which is connected through an electric pump and shut-off valve to the water and steam supply system, this electric pump is connected to the control panel, and this tank can be disconnected from this system and transferred to a warm storage room, as well as heating water in it to heat the engine before starting. In addition, the device of the combined engine contains heat-insulated water distribution devices for hot and cold water, a condenser, a boiler, a water-air radiator, connecting water pipes and shut-off and control valves, the designs of which allow reliable water discharge from a two-phase water and steam supply system manually or automatically when the temperature drops cold water to freezing temperature, as well as to fill this system with water before starting the engine. It also contains a hot water distribution device divided by perforated partitions into three parts, in the middle part of which there is a water-oil heat exchanger, condensate supply pipes from the condenser and heated feed water to the boiler, and condensate supply pipes from the condenser and mixed water discharge to the bottom are located cold water distribution device, while the cross section of the hot water distribution device is selected so that the speed of movement of water in the perforation The openings of the lower baffle were higher than the hydrocarbon float rate (0.2–0.3 m / s) so that they could be transferred to a cold water distribution device for the purpose of feeding them into the air entering the cylinders. Further, this engine contains nozzles in the inlet nozzles connected to the water supply pipes for supplying cold water from the water distribution device on which the pump and the flow regulator are installed, and also has a carburetor connected to the intake manifold and the fuel pump by a pipe on which the fuel filter is located, while nozzle nozzles are sized so that they form droplets that turn into a working fluid when fuel is burned, and the pump is designed so that it delivers water Naturally with a flow regulator 0.5 ÷ 1.25 from cyclic fuel supply at the highest compression ratio and operation without detonation. The design of this engine contains a carburetor connected to the intake manifold, a fuel line for supplying fuel with a fuel pump through a fuel filter and a fuel flow regulator, as well as a cold water pipe for supplying it with a water pump through a water flow regulator, while mixing fuel with water is provided in the float chamber, and the dimensions of the carburetor atomizer and its diffuser have certain dimensions to obtain the required droplet size in air, at which the effective engine efficiency becomes tsya greatest at the highest compression ratio operation without knocking.
Кроме того, двигатель содержит 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, причем этот смеситель еще 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 из смеси воды и топлива при сгорании топлива превращались в рабочее тело, а конструкция насоса с регулятором расхода могли обеспечить подачу воды 0,5÷1,25 от цикловой подачи топлива при наиболее высокой степени сжатия и работе без детонации. В устройстве этого двигателя 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(ыми) паровым(ыми) 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. В применяемых цилиндрических устройствах двигателя 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 разделяющие 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. Кроме того, этот двигатель может содержать водяной насос и форсунки для добавления воды в воздух во впускных патрубках газовых и бензиновых (с принудительным воспламенением) двигателей и 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 в количестве и с такими средними размерами капель, которая при сжатии становится теплоносителем, а при сгорании превращается в рабочее тело. Для управления работой двигателя в ручном и автоматическом режимах имеется пульт управления, который связан с датчиками температуры, давления, детонации и расхода теплоносителей, а также логическими и исполнительными устройствами. Кроме того, устройство комбинированного поршневого газового или бензинового (с принудительным воспламенением) и дизельного (с самовоспламенением) двигателя, содержащее поршневой двигатель внутреннего сгорания, конденсатор, расположенные последовательно вдоль выпускного газопровода и соединенные газовой связью с цилиндрами этого двигателя, а также впускной коллектор, отличающийся тем, что выпускной газопровод снабжен дроссельной заслонкой для регулирования давления газов в конденсаторе, в котором установлены распылители воды 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, воздух подают всасыванием через впускной коллектор и регулируют количество подаваемого воздуха в цилиндры дроссельной заслонкой, установленной во впускном воздухопроводе при различных режимах работы, а подача пара производится через паровые клапаны по паропроводам из котла, при этом давление пара в паропроводах обеспечивается питательным насосом, а его количество определяется регулятором расхода.In addition, the engine contains a fuel and water mixer, which is connected to the cold water distribution device by two water pipes. The first of them has a water pump, and the second has a flow regulator. It is also still connected to the fuel pump by a fuel line, on which the fuel filter and the fuel consumption regulator are located, moreover, this mixer is still connected by pipelines through the pump and the flow regulator to the nozzles of a gasoline (forced ignition) engine located on the inlet manifold nozzles, or it is connected by a pipeline through a high-pressure pump, a flow regulator and a pressure reducing valve with nozzles of a diesel (self-igniting) engine installed in the heat-insulated head (s) cylinder), while the sizes of the nozzle nozzles are selected so that the droplets formed from the mixture of water and fuel turn into a working fluid when the fuel is burned, and the design of the pump with a flow regulator can provide water supply 0.5 ÷ 1.25 from the cyclic fuel supply at the highest compression ratio and work without detonation. In the device of this engine, a closed circulation circuit is formed under the action of the feed pump through the boiler and the first locking device associated with the logical telecommunication device. For normal operation, a second shut-off device and a valve are installed on the steam line connecting the boiler to the inlet (s) of the steam valve (s) of the steam cylinder (s), to communicate this (their) steam cylinder (s) o) with the atmosphere to reduce the operation of the pumping strokes of the disconnected (s) steam (s) cylinder (s), which are connected by telecommunications with the logical device. In the cylindrical engine devices used, the nozzles for supplying and removing liquids of a cylindrical shape are located tangentially to the inner cylindrical surfaces of the tanks for mixing heat carriers with different temperatures, as well as increasing the heat transfer coefficient through the dividing walls of the oil-water heat exchanger, while the nozzles for water drain are located vertically in the center of these devices and have perforated holes for the intake of mixed water, and they exit through the side, top or bottom e wall outwardly. In addition, this engine may contain a water pump and nozzles for adding water to the air in the inlet nozzles of gas and gasoline (with forced ignition) engines and a water pump and nozzles for supplying water to the insulated cylinders of a diesel (self-igniting) engine and spraying it there into air, while the dimensions of the pumps and atomizers of nozzles are such that water is sprayed in an amount and with such average droplet sizes, which upon compression becomes a heat carrier, and upon combustion, eraticates into the working fluid. To control the operation of the engine in manual and automatic modes, there is a control panel that is connected to temperature, pressure, detonation and coolant flow sensors, as well as logical and executive devices. In addition, the device is a combined piston gas or gasoline (with forced ignition) and diesel (self-igniting) engine, containing a reciprocating internal combustion engine, a capacitor located in series along the exhaust gas pipeline and connected by gas communication with the cylinders of this engine, as well as an intake manifold, characterized the fact that the exhaust gas pipeline is equipped with a throttle valve for regulating the gas pressure in the condenser, in which water sprayers are installed for lowering the temperature of the combustion products, in order to supply fuel in a gasoline (forced ignition) engine, nozzles are installed in the inlet pipes, and in a diesel (self-igniting) cylinder they are placed in the heat-insulated cylinder head (s), the air is supplied by suction through the intake manifold and regulate the amount of air supplied to the cylinders with a throttle valve installed in the inlet air duct at various operating modes, and the steam is supplied through the steam valves through the steam line the boiler, the steam pressure in the steam line feed pump is provided, and its amount determined by a flow regulator.
На фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 показаны варианты реализации рабочего процесса комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом. На фиг.1 изображена схема подачи во всасываемый воздух топлива форсунками, расположенными во впускных патрубках; подачи воды во всасываемый воздух компрессора форсункой для квазиизотермического сжатия этого воздуха; а также подача нагретой воды в котле в форсунки, расположенные в головке (крышках) цилиндра. На этой схеме изображены еще конденсатор, турбодетандер (турбина), а также водораспределительные устройства холодной и горячей воды, их расположение и взаимодействие. На схеме фиг.2 изображены схема работы этого комбинированного двигателя без турбодетандера (турбины) и компрессора, количественное регулирование его мощности и количества образующегося конденсата. Кроме этого показана подача пара из котла в газовые цилиндры через впускные паровые клапаны в период расширения газов в этих цилиндрах. На фиг.3 показано конвертирование одного из газовых цилиндров в паровой (для работы на паре). На этом рисунке расположены водораспределительные устройства холодной и горячей воды, а также теплоизолированная емкость для слива воды из системы подачи воды и пара при снижении ее температуры до температуры замерзания. На этой схеме изображены утилизация теплоты отработанного масла в водораспределительном устройстве горячей воды, а также охлаждение конденсата наружным воздухом в водораспределительном устройстве холодной воды. На фиг.4 показаны распыливание топлива карбюратором во впускном коллекторе, а также подача холодной воды из водораспределительного устройства в форсунки, установленные во впускных патрубках. На фиг.5 изображено смешивание топлива и воды в карбюраторе и распыливание топливоводяной смеси этим карбюратором во впускном коллекторе. На фиг.6 показано смешивание топлива и воды в специальном смесителе и подача этой смеси в форсунки бензинового (с принудительным воспламенением) и дизельного (с самовоспламенением) двигателей. На фиг.7 осуществляется циркуляция теплоносителя через котел при пониженной температуре выпускных газов для повышения температуры пара или воды. На фиг.8 показаны подвод теплоносителя к емкости и отвод его из нее, где происходит смешивание жидкостей с разной температурой. На фиг.9 приведены кривые изменения температуры капель воды в конце сжатия tвод.к, доли теплоты, переданной к каплям воды при сжатии, от теплоты сгорания топлива, а также среднего давления теоретического цикла Рi в зависимости от доли количества выпрыснутой воды, от количества поданного топлива, при различной степени сжатия ε, одинаковых температуре начала сжатия Тa=293 К и одинаковых коэффициентах избытка воздуха α=1 и наполнения ην=1:1-ε=8; 2-ε=10; 3-ε=12; 4-ε=14. На фиг.10 показано изменение давления Рс и температуры Тc в конце сжатия в зависимости от доли количества впрыснутой воды, от количества поданного топлива, при различной степени сжатия ε, одинаковой температуре начала сжатия Тa=293 К и одинаковых коэффициентах избытка воздуха α=1 и наполнения ην=1:1-ε=8; 2-ε=10; 3-ε=12; 4-ε=14. На фиг.11 изображено изменение максимальных температуры Tz и давления Рz, а также КПД теоретического цикла ηi в зависимости от количества впрыснутой воды, от количества поданного топлива, при различной степени сжатия ε, одинаковой температуре начала сжатия Ta=293 К и одинаковых коэффициентах избытка воздуха α=1 и наполнения ηv=1: 1-ε=8; 2-ε=10; 3-ε=12; 4-ε=14. I - изменение ηi при Tz=const и увеличениях ε и II - изменение Рz при Tz=const и возрастаниях ε и На фиг.12 приведены кривые изменения среднего эффективного давления Ре, температуры горючей смеси в конце впуска Та, коэффициентов наполнения ηv и остаточных газов γ, а также температуры остаточных газов Тr, в зависимости от доли впрыснутой воды, от количества поданного топлива, при различных коэффициентах избытка воздуха α: 1-α=0,93; 2-α=1,0; 3-α=1,08; - точки по экспериментальным данным, - расчетные кривые. На фиг.13 показано изменение среднего эффективного расхода топлива, эффективного ηе и индикаторного ηi КПД, доли теплоты, превращенной в эффективную работу, qe, давления конца сжатия Рс в зависимости от доли впрыснутой воды, от количества поданного топлива, при различных коэффициентах избытка воздуха α: 1-α=0,93; 2-α=1,0; 3-α=1,08; - точки по экспериментальным данным, - расчетные кривые. На фиг.14 изображено понижение максимальной температуры газов на единицу повышения максимального давления газов для устранения детонации ΔТz/ΔРz в зависимости от максимальной температуры газов Тz. На фиг.15 показано понижение максимальной температуры газов на единицу повышения максимального давления газов для устранения детонации ΔТz/ΔРz в зависимости от доли количества теплоты, теряемой в систему охлаждения qox. На фиг.16 изображено понижение максимальной температуры газов на единицу повышения максимального давления газов для устранения детонации ΔTz/ΔРz в зависимости от доли количества теплоты, теряемой с выпускными газами qвып.Figure 1, 2, 3, 4, 5, 6, and 7 show embodiments of the working process of a combined engine with a two-phase working fluid. Figure 1 shows a diagram of the supply of fuel to the intake air by nozzles located in the inlet pipes; water supply to the compressor intake air by a nozzle for quasi-isothermal compression of this air; as well as the supply of heated water in the boiler to the nozzles located in the cylinder head (s). This diagram also shows a condenser, a turboexpander (turbine), as well as water distribution devices for cold and hot water, their location and interaction. The diagram of figure 2 shows the operation diagram of this combined engine without a turboexpander (turbine) and compressor, quantitative regulation of its power and the amount of condensate formed. In addition, the steam supply from the boiler to the gas cylinders through the inlet steam valves during the expansion of gases in these cylinders is shown. Figure 3 shows the conversion of one of the gas cylinders into steam (for steam operation). In this figure, water distribution devices for cold and hot water are located, as well as a thermally insulated container for draining water from the water and steam supply system when its temperature drops to freezing temperature. This diagram shows the utilization of the heat of the used oil in a hot water distribution device, as well as the condensate cooling with outside air in a cold water distribution device. Figure 4 shows the atomization of fuel by a carburetor in the intake manifold, as well as the supply of cold water from the water distribution device to the nozzles installed in the inlet pipes. Figure 5 shows the mixing of fuel and water in a carburetor and the atomization of the fuel-water mixture by this carburetor in the intake manifold. Figure 6 shows the mixing of fuel and water in a special mixer and the supply of this mixture to the nozzles of gasoline (forced ignition) and diesel (self-igniting) engines. In Fig.7, the coolant is circulated through the boiler at a reduced temperature of the exhaust gases to increase the temperature of steam or water. On Fig shows the supply of coolant to the tank and its removal from it, where there is a mixing of liquids with different temperatures. Figure 9 shows the curves of changes in the temperature of water droplets at the end of compression t water.k , the fraction of heat transferred to the droplets of water during compression, on the heat of combustion of the fuel, as well as the average pressure of the theoretical cycle P i depending on the proportion of the amount of water dispensed, from the amount of fuel supplied at different degrees of compression ε, the same temperature of the beginning of compression Т a = 293 K and the same coefficients of excess air α = 1 and filling η ν = 1: 1-ε = 8; 2-ε = 10; 3-ε = 12; 4-ε = 14. Figure 10 shows the change in pressure P c and temperature T c at the end of compression, depending on the proportion of the amount of water injected, on the amount of fuel supplied, at different degrees of compression ε, the same temperature of the beginning of compression Т a = 293 K and the same coefficients of excess air α = 1 and filling η ν = 1: 1-ε = 8; 2-ε = 10; 3-ε = 12; 4-ε = 14. 11 shows the change in the maximum temperature T z and pressure P z , as well as the efficiency of the theoretical cycle η i depending on the amount of water injected, on the amount of fuel supplied, at different compression ratios ε, equal compression start temperature T a = 293 K and the same excess air ratio α = 1, and filling η v = 1: 1-ε = 8; 2-ε = 10; 3-ε = 12; 4-ε = 14. I is the change in η i at T z = const and increases ε and II - change in P z at T z = const and increasing ε and On Fig curves of changes in average effective pressure P e , temperature of the combustible mixture at the end of the inlet T a , filling ratios η v and residual gases γ, as well as the temperature of the residual gases T r , depending on the proportion of injected water, on the amount of fuel supplied , at various coefficients of excess air α: 1-α = 0.93; 2-α = 1.0; 3-α = 1.08; - points according to experimental data, - calculated curves. On Fig shows the change in average effective fuel consumption, effective η e and indicator η i efficiency, the proportion of heat converted into efficient operation, q e , pressure of the end of compression P with depending on the proportion of injected water, on the amount of fuel supplied, at various coefficients of excess air α: 1-α = 0.93; 2-α = 1.0; 3-α = 1.08; - points according to experimental data, - calculated curves. Fig. 14 shows a decrease in the maximum gas temperature per unit of increase in the maximum gas pressure to eliminate detonation ΔT z / ΔP z depending on the maximum gas temperature T z . On Fig shows a decrease in the maximum gas temperature per unit increase in the maximum gas pressure to eliminate detonation ΔT z / ΔP z depending on the fraction of the amount of heat lost in the cooling system q ox . In Fig.16 depicts a decrease in the maximum gas temperature per unit increase in the maximum gas pressure to eliminate detonation ΔT z / ΔP z depending on the fraction of the amount of heat lost with the exhaust gases q issue .
Для того чтобы доказать промышленную применимость этого изобретения, авторами перед составлением заявки на это изобретение были проведены научно-исследовательские работы по влиянию качества и количества распыленной воды во впускном воздухе на параметры и показатели бензиновых двигателей. Была установлена причина повышения КПД бензиновых двигателей при распыливании воды во впускном воздухе, несмотря на снижение максимальной температуры сгорания. Сущность этой причины заключается в том, что при распыливании во впускном воздухе воды с определенными размерами и их количеством, они при сжатии превращаются в теплоноситель, нагреваясь до температуры кипения почти без испарения, и снижают при этом температуру и давление рабочего тела. В результате происходит уменьшение работы сжатия в цилиндре. Далее при изохорном подводе теплоты к рабочему телу эти капли начинают быстро испаряться и превращаться в пар. В результате увеличивается количество рабочего тела, а следовательно, и количество совершаемой работы при расширении. Увеличение работы расширения происходит не только из-за увеличения количества рабочего тела, но и изменения его состава, несмотря на снижение максимальной температуры цикла. Состав рабочего тела влияет на количество совершаемой работы через степень его расширения.In order to prove the industrial applicability of this invention, before the preparation of the application for this invention, the authors carried out research work on the influence of the quality and quantity of atomized water in the intake air on the parameters and performance of gasoline engines. The reason for increasing the efficiency of gasoline engines when spraying water in the intake air was established, despite the decrease in the maximum combustion temperature. The essence of this reason is that when water is sprayed in the intake air with a certain size and quantity, they turn into a coolant when compressed, heating to a boiling point almost without evaporation, and at the same time reduce the temperature and pressure of the working fluid. As a result, the compression work in the cylinder decreases. Further, when isochoric supply of heat to the working fluid, these drops begin to quickly evaporate and turn into steam. As a result, the number of working fluid increases, and consequently, the amount of work performed during expansion. An increase in the expansion work occurs not only due to an increase in the quantity of the working fluid, but also changes in its composition, despite a decrease in the maximum cycle temperature. The composition of the working fluid affects the amount of work done through the degree of expansion.
Для установления этой причины была разработана математическая модель теплового расчета цикла бензиновых двигателей с учетом добавления воды в горючую смесь, которая излагается ниже.To establish this reason, a mathematical model of thermal calculation of the cycle of gasoline engines was developed taking into account the addition of water to the combustible mixture, which is described below.
В основу математической модели теплового расчета положен метод, разработанный профессорами МГТУ им. Н.Э.Баумана В.И.Гриневецким и Е.К.Мазингом.The mathematical model of thermal calculation is based on the method developed by professors of MSTU. N.E.Bauman V.I. Grinevetsky and E.K. Masing.
Этот расчет по математической модели начинается с определений количества горючей смеси, поступающей в цилиндр, а также количества и состава продуктов сгорания, образующихся при сжимании 1 кг топлива.This calculation according to the mathematical model begins with determining the amount of the combustible mixture entering the cylinder, as well as the amount and composition of the combustion products formed by compressing 1 kg of fuel.
Масса горючей смеси с учетом подачи водяного пара во впускной трубопровод при известных коэффициенте избытка воздуха α и теоретически необходимом количестве воздуха Lo для сжигания 1 кг топлива определитсяThe mass of the combustible mixture, taking into account the supply of water vapor to the inlet pipe with the known coefficient of excess air α and theoretically necessary amount of air L o for burning 1 kg of fuel will be determined
где: - количество водяного пара, поданного на 1 кг топлива, кг/кг;Where: - the amount of water vapor supplied per 1 kg of fuel, kg / kg;
Lo - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива, кг/кг;L o - theoretically necessary amount of air for burning 1 kg of fuel, kg / kg;
α - коэффициент избытка воздуха.α is the coefficient of excess air.
Масса горючей смеси при подаче воды во впускной коллектор и ее распыливании в воздухе определится при сжигании 1 кг топливаThe mass of the combustible mixture when water is supplied to the intake manifold and sprayed in air is determined by burning 1 kg of fuel
В методе расчета Гриневицкого-Мазинга давлениями в конце процесса наполнения Ра и в конце процесса выпуска Рr задаются по данным уже существующих двигателей. Здесь производится их расчет потому, что они изменяются при подаче водяных паров во впускной коллектор. Среднее давление в процессе впускаIn the method of calculating Grinevitsky-Masing pressures at the end of the filling process P a and at the end of the production process P r are set according to the data of existing engines. Here they are calculated because they change when water vapor is supplied to the intake manifold. Intake pressure
где: ро(к)) - давление горючей смеси во впускном трубопроводе, Па;where: p o (k)) is the pressure of the combustible mixture in the inlet pipe, Pa;
ρк.ср - средняя плотность горючей смеси во впускных органах, кг/м3;ρ K.s. - the average density of the combustible mixture in the intake organs, kg / m 3 ;
ζвп=2,5÷4 - средний за процесс наполнения суммарный коэффициент гидравлических потерь во впускных органах, вычисленный по средней скорости движения горючей смеси;ζ VP = 2.5 ÷ 4 - average for the filling process, the total coefficient of hydraulic losses in the intake organs, calculated by the average speed of movement of the combustible mixture;
ωср.вп - средняя скорость горючей смеси во впускных органах, м/с.ω avg - average speed of the combustible mixture in the intake organs, m / s.
Величина ωср.вп определится по уравнениюThe value of ω avg is determined by the equation
где: Fвп.cp - среднее проходное сечение впускных органов в м2;where: F VP.cp is the average passage section of the intake organs in m 2 ;
Gm - секундный расход топлива в кг/с;G m - second fuel consumption in kg / s;
iпат.вп - количество впускных патрубков.i pat.vp - the number of inlet pipes.
Значение секундного расхода топлива определяетсяThe value of the second fuel consumption is determined
где: - удельный эффективный расход топлива для первого приближения в кг/(кВт·ч);Where: - specific effective fuel consumption for the first approximation in kg / (kW · h);
- эффективная мощность двигателя для первого приближения в кВт. - effective engine power for a first approximation in kW.
Среднее давление в процессе выпуска определяется аналогично, как и Ра The average pressure in the exhaust process is determined in the same way as P a
где: рр - давление газов в выпускном трубопроводе, Па;where: p p - gas pressure in the exhaust pipe, Pa;
ρР.СР - средняя плотность газов в выпускных органах, кг/м3;ρ R.SR - the average density of gases in the exhaust organs, kg / m 3 ;
ζвып - средний за процесс выпуска суммарный коэффициент гидравлических потерь в выпускных органах, подсчитанный по средней скорости движения газов;ζ vyp is the average total coefficient of hydraulic losses in the exhaust organs for the exhaust process, calculated by the average gas velocity;
ωСР.ВЫП - средняя скорость движения выпускных газов в выпускных органах, м/с.ω SR.VYP - average velocity of exhaust gases in the exhaust organs, m / s.
Величина ωСР.ВЫП определится по уравнениюThe value of ω SR.VYP is determined by the equation
где: GПР.СГ - масса продуктов сгорания, кг/кг;where: G PR. SG - mass of combustion products, kg / kg;
iПАТ.ВЫП - количество выпускных патрубков;i PAT.VYP - the number of exhaust pipes;
FВЫП.СР - среднее проходное сечение выпускных органов в м2.F Vyp. SR - the average passage section of the exhaust organs in m 2 .
Знание Ра и P позволяет определить среднее давление насосных ходов Рн.х. Величина Рн.х необходима для определения среднего действительного индикаторного давления Рi∂.Knowing P a and P allows you to determine the average pressure of the pumping pass P n . The value of P nx is necessary to determine the average actual indicator pressure P i∂ .
Напишем уравнение теплового баланса для определения температуры горючей смеси в конце наполнения Та с учетом подачи воды во впускной трубопровод и ее нагрева. При этом принято, что бензин нагревается до Та и весь испаряется. Это уравнение для 1 кг топлива запишется:We write the heat balance equation to determine the temperature of the combustible mixture at the end of filling T a , taking into account the water supply to the inlet pipe and its heating. Moreover, it is accepted that gasoline is heated to T a and the whole evaporates. This equation for 1 kg of fuel is written:
где: TO(K) - температура наружного воздуха после компрессора при отсутствии воздухоохладителя или после воздухоохладителя при его наличии. При отсутствии компрессора и воздухоохладителя температура наружного воздуха, К;where: T O (K) is the outdoor temperature after the compressor in the absence of an air cooler or after an air cooler in its presence. In the absence of a compressor and an air cooler, the outdoor temperature, K;
TБЕН - температура бензина, поступающего на смесеобразование, К;T BEN - temperature of gasoline supplied to the mixture formation, K;
Тr' - температура остаточных газов, которые расширяются от рr до pа, К;T r ' is the temperature of the residual gases, which expand from r r to p a , K;
, , - теплоемкости воздуха, бензина и продуктов сгорания при ; , , - heat capacity of air, gasoline and combustion products at ;
, , - теплоемкость воздуха, бензина и продуктов сгорания при V=const и Tо(к), ТБЕН, Тr', соответственно, ; , , - the heat capacity of air, gasoline and combustion products at V = const and T about (k) , T BEN , T r ' , respectively, ;
Gвоз=α LО - действительное количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива при α, кг/кг;G cart = α L O - the actual amount of air required for combustion of 1 kg of fuel at α, kg / kg;
Gr - количество остаточных газов в цилиндрах при положении поршня в в. м.т, образующихся при снижении 1 кг топлива, кг/кг;G r - the amount of residual gases in the cylinders with the piston in. mt formed during the reduction of 1 kg of fuel, kg / kg;
- теплота парообразования 1 кг бензина; - heat of vaporization of 1 kg of gasoline;
Нu - теплота сгорания топлива, Дж/кг;N u is the calorific value of fuel, J / kg;
ΔНu - потери теплоты от теоретической неполноты сгорания, Дж/кг;ΔН u - heat loss from theoretical incompleteness of combustion, J / kg;
υa - доля теплоты сгорания 1 кг топлива, характеризующая теплообмен в период наполнения между воздухом, стенками цилиндра и каплями воды.υ a is the fraction of the calorific value of 1 kg of fuel, which characterizes heat transfer during the filling period between air, cylinder walls and water drops.
Из уравнения (8) определим температуру смеси в конце наполненияFrom equation (8) we determine the temperature of the mixture at the end of the filling
Уравнение (9) для определения Та в К при подаче водяного пара во впускной трубопровод запишетсяEquation (9) for determining T a in K when water is supplied to the inlet pipe is written
где: и - теплоемкости водяного пара при V=const, и температурах ТВОД и Та, ;Where: and - the heat capacity of water vapor at V = const, and temperatures T WATER and T a , ;
υa - доля теплоты сгорания 1 кг топлива, характеризующая теплообмен в период наполнения между горючей смесью и стенками цилиндра.υ a is the fraction of the calorific value of 1 kg of fuel, which characterizes the heat transfer during the filling period between the combustible mixture and the cylinder walls.
В методе расчета Гриневецкого-Мазинга величина Тr для теплового расчета задается в исходных данных. Здесь она принимается для первого приближения, а затем уточняется после расчета процесса выпуска благодаря вычислению Рr по уравнению 6.In the Grinevecki-Masing method of calculation, the value of T r for the thermal calculation is specified in the source data. Here it is taken for a first approximation, and then refined after calculating the release process by calculating P r according to equation 6.
Коэффициент наполнения горючей смесью цилиндров определится по отношению фактического количества горючей смеси, поступившей в цилиндр, Gфак к теоретическому Gтеор.The filling factor of the combustible mixture of cylinders will be determined by the ratio of the actual amount of the combustible mixture entering the cylinder, G factor to theoretical G theory .
При подаче воды во впускной трубопровод уравнение для определения Gфак с учетом уменьшения рабочего объема цилиндра каплями воды запишетсяWhen water is supplied to the inlet pipe, the equation for determining the G ph , taking into account the decrease in the working volume of the cylinder with water drops,
где: - уменьшение рабочего объема цилиндра каплями воды, м3;Where: - reducing the working volume of the cylinder with water drops, m 3 ;
- количество воды, впрыснутой во впускной трубопровод, кг; - the amount of water injected into the intake pipe, kg;
ζ1 - коэффициент дозарядки.ζ 1 - recharge coefficient.
Величина ζ1 может быть определена по известным Ра и давлению газов в момент закрытия впускного отверстия Рз.к, а также полному объему цилиндра Va и его объему в момент закрытия впускных органов VЗ.К.The value of ζ 1 can be determined by the known P a and the gas pressure at the moment of closing the inlet opening P s.k. , as well as the total volume of the cylinder V a and its volume at the time of closing the inlet bodies V Z.K.
Теоретическое количество горючей смеси, которое может поступать в цилиндр при подаче воды во впускной трубопровод с учетом уменьшения рабочего объема цилиндра каплями водыTheoretical amount of combustible mixture that can enter the cylinder when water is supplied to the inlet pipe, taking into account the reduction in the cylinder’s working volume with water drops
Уравнение для процесса сжатия горючей смеси на основании первого закона термодинамики запишетсяThe equation for the compression process of a combustible mixture based on the first law of thermodynamics is written
где: QС - количество теплоты, отдаваемой горючей смесью стенкам цилиндра и каплям воды при сжатии, QС=υС(Нu-ΔHu);where: Q C - the amount of heat given off by the combustible mixture to the walls of the cylinder and drops of water during compression, Q C = υ С (Н u -ΔH u );
υC - доля теплоты от теплоты сгорания топлива, характеризующая теплообмен в период сжатия между стенками цилиндра, каплями воды и воздуха, Дж;υ C is the fraction of heat from the heat of combustion of the fuel, characterizing heat transfer during the compression between the walls of the cylinder, drops of water and air, J;
UC и Uа - внутренняя энергия сжимаемого рабочего тела в начале и в конце сжатия, Дж;U C and U a - internal energy of the compressible working fluid at the beginning and end of compression, J;
, ,
где: Lac - работа политропного сжатия, Дж;where: L ac - the work of polytropic compression, J;
- давление в конце сжатия для первого приближения, Па. - pressure at the end of compression for the first approximation, Pa.
Подставляем значения членов в уравнение (13), получимWe substitute the values of the terms in equation (13), we obtain
отсюдаfrom here
где: - цикловая подача топлива, кг/цикл.Where: - cyclic fuel supply, kg / cycle.
Другим уравнением для определения ТC будетAnother equation for determining T C will be
Уравнения 15 и 16 решаются численным методом при известном относительно показателя политропы сжатия nC. После определения nC находим более точное значение давления конца сжатия
где: ;Where: ;
. .
Затем в уравнении 15 вместо подставляем РC и вновь решаем уравнения 15 и 16 численным методом для определения более точного значения nC.Then in
Работа, затрачиваемая на сжатие рабочего тела в цилиндре,The work spent on the compression of the working fluid in the cylinder,
Запишем уравнение сгорания топлива для цикла с изохорным подводом теплоты и ее отводом на испарение капель воды для определения максимальной теоретической температуры сгорания TZ We write the equation of fuel combustion for a cycle with isochoric heat input and its removal to evaporate water droplets to determine the maximum theoretical combustion temperature T Z
где: υZ - коэффициент, учитывающий количество полученной теплоты рабочим телом при изохорном сгорании топлива (коэффициент использования теплоты в в.м.т.);where: υ Z - coefficient taking into account the amount of heat received by the working fluid during isochoric combustion of the fuel (heat utilization factor in bhp);
ΔHu=6100 (1-α) - потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива при α<1, кДж/кг.ΔH u = 6100 (1-α) is the heat loss from chemical incompleteness of fuel combustion at α <1, kJ / kg.
Теплота, затраченная на парообразование воды и нагрев ее паров до TZ, определитсяThe heat spent on the vaporization of water and heating its vapors to T Z will be determined
где: rвод - теплота парообразования воды определяется по таблице в зависимости от среднего давления газов за период сгорания, Дж/кг;where: r water - the heat of vaporization of water is determined according to the table depending on the average gas pressure during the combustion period, J / kg;
Tвод.к - температура капель воды, нагретых до температуры кипения (насыщения), К;T water.k — temperature of water droplets heated to boiling point (saturation), K;
υИС - коэффициент, учитывающий долю испарившейся воды при подводе теплоты (горении топлива); υИС=1 при испарении всей воды около в.м.т.υ IP - coefficient taking into account the proportion of evaporated water during heat supply (fuel combustion); υ IS = 1 during the evaporation of all water near v.m.
Уравнения 19 и 20 решаются численным методом относительно TZ.
Теоретическое максимальное давление газов(сгорания) при подводе теплоты и испарении водыTheoretical maximum gas (combustion) pressure during heat supply and water evaporation
Фактическое максимальное давление сгорания составляетActual maximum combustion pressure is
где: φP=0,7÷0,9 - коэффициент уменьшения давления.where: φ P = 0.7 ÷ 0.9 is the pressure reduction coefficient.
Уравнение теплового баланса для процесса расширения рабочего тела запишетсяThe heat balance equation for the expansion process of the working fluid is written
где: QZB - изменение эптальпии рабочего тела (продуктов сгорания) при его (их) расширении, Дж;where: Q ZB - change in the enthalpy of the working fluid (combustion products) during its (their) expansion, J;
UZ и UБ - внутренняя энергия рабочего тела (продуктов сгорания) в начале и в конце расширения, Дж:U Z and U B - the internal energy of the working fluid (combustion products) at the beginning and end of expansion, J:
LZB - работа совершается рабочим телом (продуктами сгорания) при его (их) расширении, Дж.L ZB - work is done by the working fluid (combustion products) during its (their) expansion, J.
Величина LZb определится по уравнениюThe value of L Zb is determined by the equation
Подставляем значение членов в уравнение (23), которое для цикловой подачи топлива запишетсяWe substitute the value of the terms in equation (23), which is written for the cyclic fuel supply
Решая это уравнение относительно TB, получим в КSolving this equation with respect to T B , we obtain in K
где: υb - доля теплоты сгорания, соответствующая механической работе и повышению внутренней энергии на всем участке сгорания и расширения (коэффициент использования теплоты в конце расширения в начале выпуска).where: υ b is the fraction of the calorific value corresponding to mechanical work and the increase in internal energy in the entire area of combustion and expansion (coefficient of heat utilization at the end of expansion at the beginning of production).
Другое уравнение для Тb запишетсяAnother equation for T b will be written
Решая уравнения 26 и 27 численным методом, найдем значения показателя политропы расширения np.Solving
При известном nр давление в цилиндре в конце расширения Рb определится по выражению, изложенному в методике Гриневецкого-Мазинга. Засылаем для определения Тr.With a known n p the pressure in the cylinder at the end of the expansion P b will be determined by the expression described in the method of Grinevetsky-Masing. Send to determine T r .
Теоретическое и действительное средние индикаторные давления цикла рассчитываются по выражениям, изложенным в методике Гриневецкого-Мазинга.Theoretical and valid average indicator cycle pressures are calculated according to the expressions described in the method of Grinevetsky-Masing.
Индикаторный КПД поршневого двигателя при подаче пара во впускной трубопроводIndicator efficiency of the piston engine when steam is supplied to the intake manifold
Индикаторный КПД поршневого двигателя при распыливании воды во впускном трубопроводеIndicator efficiency of the piston engine when spraying water in the intake manifold
Эффективный КПД поршневого двигателя ηe, удельные индикаторный gi и эффективный ge расходы топлива, индикаторная Ni и эффективная Ne мощности определяются по выражениям, изложенным в методике Гриневецкого-Мазинга.The effective efficiency of the piston engine η e , specific indicator g i and effective g e fuel consumption, indicator N i and effective N e power are determined by the expressions described in the method of Grinevetsky-Masing.
После определения Ne и ge их значения засылаются и в формуле (5).After determining N e and g e, their values are sent and in the formula (5).
Уравнение теплового балансаHeat balance equation
где: Q1=Hu·Gт.цик - теплота сгорания израсходованного топлива, Дж;where: Q 1 = H u · G t.cyc - heat of combustion of spent fuel, J;
QZB - теплота эквивалентная работе расширения, Дж;Q ZB - heat equivalent to the expansion work, J;
QСЖ - теплота эквивалентная работе сжатия, Дж;Q SJ - heat equivalent to the work of compression, J;
QТР=РМЕХ·Vh - теплота эквивалентная работе трения, Дж;Q TP = P FUR · V h - heat equivalent to the work of friction, J;
- теплота, теряемая с выпускными газами, Дж; - heat lost with exhaust gases, J;
QХ.Н=ΔHu·Gт.цик - теплота, теряемая от химической неполноты сгорания топлива, Дж;Q X.N = ΔH u · G t.cyc - heat lost from chemical incompleteness of fuel combustion, J;
QZB-QСЖ=Qe=PeVh - теплота, эквивалентная совершенной работе, Дж.Q ZB -Q SJ = Q e = P e V h - heat equivalent to perfect work, J.
В теоретическом цикле вместо QВ.Г будет теплота, отведенная от рабочего тела,In the theoretical cycle, instead of Q V.G., there will be heat removed from the working fluid,
где: ℓКОН - теплота конденсации водяных паров, Дж/кг;where: ℓ KOH - heat of condensation of water vapor, J / kg;
- цикловое количество поданной воды, кг. - cyclic amount of water supplied, kg.
Тепловые потери в охлаждающую среду Qox для адиабатного двигателя будут равны нулю, а для двигателей, имеющих систему охлаждения, они определятся из уравнения теплового баланса 30The heat loss to the cooling medium Q ox for the adiabatic engine will be zero, and for engines with a cooling system, they will be determined from the
Если выразить составляющие топливного баланса в процентах от теплоты израсходованного топлива, то уравнения 30 и 32 запишутся:If we express the components of the fuel balance as a percentage of the heat of the spent fuel, then equations 30 and 32 are written:
Для реального адиабатного двигателя QОХ и qOX=0, а термодинамического цикла с изохорными подводом и отводом теплоты QTP, QX.H и QOX, а также qТР, qХ.H и qOX=0. Для этих двигателя и цикла корректность выполненных тепловых расчетов проверяется по соблюдению уравнений теплового баланса 30 и 33.For a real adiabatic engine, Q ОХ and q OX = 0, and a thermodynamic cycle with isochoric supply and removal of heat Q TP , Q XH and Q OX , as well as q ТР , q Х.H and q OX = 0. For these engines and cycles, the correctness of the thermal calculations performed is checked by observing the
Для расчетов параметров и показателей цикла бензинового двигателя с политропными сжатием горючей смеси и расширением продуктов горения необходимо задавать значения коэффициентам ζВП, ζВЫП, υа, υс, υZ, υb, ζ1 и φp. Эти коэффициенты могут быть определены у существующих двигателей по снятым и обработанным индикаторным диаграммам и определенным экспериментально Ре, α, ηV и членами теплового баланса.To calculate the parameters and indicators of the cycle of a gasoline engine with polytropic compression of the combustible mixture and the expansion of the combustion products, it is necessary to set the values of the coefficients ζ VP , ζ SUP , υ а , υ с , υ Z , υ b , ζ 1 and φ p . These coefficients can be determined for existing engines using the removed and processed indicator diagrams and experimentally determined P e , α, η V and members of the heat balance.
При проведении расчетов для реального адиабатного бензинового двигателя коэффициенты υa и υC должны быть равны нулю, а υb и υZ=1.When performing calculations for a real adiabatic gasoline engine, the coefficients υ a and υ C should be zero, and υ b and υ Z = 1.
Если выполнять тепловой расчет теоретического цикла с изохорными подводом и отводом теплоты, то коэффициенты υa и υC=0, a υZ, υb, ζ1 и φр=1, при этом другие коэффициенты, определяющие процесс газообмена, а также давление газов в выпускном газопроводе Рр, необходимо задать такими, чтобы коэффициенты остаточных γ→0 и наполнения ηV→1.If we perform a thermal calculation of the theoretical cycle with isochoric supply and removal of heat, then the coefficients υ a and υ C = 0, a υ Z , υ b , ζ 1 and φ p = 1, while other coefficients that determine the gas exchange process, as well as pressure gases in the exhaust gas P p , it is necessary to set such that the coefficients of residual γ → 0 and filling η V → 1.
При добавлении воды в горючую смесь давление РC и температура ТC в конце сжатия могут значительно снизиться из-за возникновения процесса теплообмена между каплями воды и рабочим телом. В этом случае коэффициент υc для теоретического цикла не будет равен нулю. Его значение определится в долях от теплоты сгорания топлива Нu по уравнениюWhen water is added to the combustible mixture, the pressure P C and the temperature T C at the end of compression can significantly decrease due to the occurrence of a heat exchange process between the water droplets and the working fluid. In this case, the coefficient υ c for the theoretical cycle will not be zero. Its value will be determined in fractions of the heat of combustion of fuel N u according to the equation
где: - начальная температура впрыскиваемой воды, К;Where: - the initial temperature of the injected water, K;
ТВОД.К - температура кипения воды капель, которая определяется по давлению конца сжатия и таблицам, К;T VOD.K - the boiling point of water drops, which is determined by the pressure of the end of compression and the tables, K;
- доля воды от количества поданного топлива, кг/кг. - the proportion of water from the amount of fuel supplied, kg / kg.
При этом значения Ра и Та могут быть скорректированы до начальных значений вышеперечисленными коэффициентами ζВП, ζВЫП и ζ1, а также Рр так, чтобы γ→0, а ηV→1.The values of P and T as well may be adjusted to the initial values of the above coefficients VI ζ, ζ and ζ SAT 1 and P p so that γ → 0 and η V → 1.
Путем использования математической модели теплового расчета и экспериментальных данных традиционного двигателя МЗМА-407 установлено изменение долей теплоты от теплоты сгорания, подведенной к горючей смеси в процессе впуска, υa, и отведенной от нее теплоты в процессе сжатия, υc, а также коэффициентов использования теплоты в.м.т. υz и в конце расширения υb в зависимости от частоты вращения коленчатого вала ω и нагрузки двигателя Ne, степени сжатия ε и количества добавляемой воды в горючую смесь . При добавлении воды наибольшие значения эффективного КПД ηе и среднего эффективного давления Ре получаются при , значение υa=-0,002÷0,005, a υc=0,015÷0,025 в зависимости от коэффициента избытка воздуха α. До υz и υв почти не изменяются, а при начинает уменьшаться из-за снижения максимальной температуры сгорания Тz. Увеличение ηe происходит из-за уменьшения работы сжатия и увеличения количества рабочего тела, а повышение Ре благодаря увеличению коэффициента наполнения. С увеличением ε υz не изменяется, υc и υв растут, ηe быстро повышается. При увеличении ω υа изменяется незначительно, υc снижается, a υz и υв растут и достигают наибольших значений при ω=3500 об/мин. Изменение υz по нагрузочной характеристике происходит из-за изменения α при υa и υс≈const. При работе двигателя температура выпускных газов Тр≥1250 К, что позволяет утилизировать их теплоту для превращения ее в работу.Using the mathematical model of thermal calculation and experimental data of the traditional MZMA-407 engine, it was found that the fraction of heat from the heat of combustion supplied to the combustible mixture during the intake process, υ a , and the heat removed from it during compression, υ c , as well as the heat utilization coefficients m.t. υ z and at the end of expansion υ b depending on the crankshaft rotation frequency ω and engine load Ne, compression ratio ε and the amount of water added to the combustible mixture . When water is added, the highest values of effective efficiency η e and average effective pressure P e are obtained at , the value of υ a = -0.002 ÷ 0.005, a υ c = 0.015 ÷ 0.025, depending on the coefficient of excess air α. Before υ z and υ в almost do not change, and when begins to decrease due to a decrease in the maximum combustion temperature T z . An increase in η e occurs due to a decrease in the work of compression and an increase in the quantity of the working fluid, and an increase in P e due to an increase in the filling ratio. With an increase in ε, υ z does not change, υ c and υ в grow, η e rises rapidly. With an increase in ω υ a, it changes slightly, υ c decreases, a υ z and υ c increase and reach their maximum values at ω = 3500 rpm. The change in υ z according to the load characteristic occurs due to a change in α for υ a and υ with ≈const. When the engine is running, the temperature of the exhaust gases is T p ≥1250 K, which makes it possible to utilize their heat to turn it into work.
Характеры изменений коэффициентов использования теплоты в в.м.т. υz и в конце расширения υb, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала у них сохраняются такими, как у традиционного бензинового двигателя МЗМА-407. Увеличения у этих двигателей абсолютных значений υz и υb произошли из-за большего объема цилиндра, чем у традиционного двигателя МЗМА-407. Увеличение степени сжатия в двигателях семейства ЗМЗ-406.10 повлияло на повышение эффективного КПД через увеличение термического КПД, при этом повышения υz и υb не произошли. Инерционный и газотурбинный наддувы, реализованные в этих двигателях, повлияли, в первую очередь, на их наполнение горючей смесью, а через него на повышение эффективной мощности и улучшение удельного эффективного расхода топлива. При этом индикаторный КПД у них почти не изменился, а увеличение максимального давления сгорания не привело к возникновению детонации при работе на топливе с одинаковым октановым числом благодаря снижению максимальной температуры сгорания. Температура выпускных газов у них оказалась не ниже, чем у традиционных бензиновых двигателей МЗМА-407 по всей внешней скоростной характеристике.The nature of the changes in the coefficients of heat utilization in m.t. υ z and at the end of the expansion υ b , depending on the crankshaft rotation speed, they remain the same as those of the traditional MZMA-407 gasoline engine. The increase in the absolute values of υ z and υ b for these engines occurred due to the larger cylinder volume than the traditional MZMA-407 engine. An increase in the degree of compression in engines of the ZMZ-406.10 family affected an increase in effective efficiency through an increase in thermal efficiency, while no increase in υ z and υ b occurred. The inertial and gas-turbine pressurization implemented in these engines affected, first of all, their filling with a combustible mixture, and through it to increase the effective power and improve the specific effective fuel consumption. At the same time, their indicator efficiency almost did not change, and an increase in the maximum combustion pressure did not lead to detonation when operating on fuel with the same octane number due to a decrease in the maximum combustion temperature. The temperature of the exhaust gases turned out to be no lower than that of the traditional MZMA-407 gasoline engines for all external speed characteristics.
Конструкция этих двигателей оказалась приемлемой для добавления воды в горючую смесь с целью повышения их степени сжатия и исключения системы охлаждения, а температура выпускных газов достаточной для эффективного превращения их теплоты в работу.The design of these engines turned out to be acceptable for adding water to the combustible mixture in order to increase their compression ratio and eliminate the cooling system, and the temperature of the exhaust gases is sufficient to effectively convert their heat into work.
Для проведения расчетно-теоретических исследований влияния подачи воды в начале сжатия на показатели и параметры теоретических циклов были произведены расчеты с помощью математической модели при степенях сжатия ε=8, 10, 12 и 14, долях количества впрыснутой воды от количества поданного топлива для подвода теплоты ; 0,125; 0,25; 0,375; 0,5; 0,75; 1,0 и 1.25, а также сохранении коэффициентов избытка воздуха α=1 и наполнения ηV=1, а также Та=293 К. При этом было принято, что размеры капель воды при распыливании получаются такими, что они к концу сжатия нагреваются до температуры кипения tВОД.К без испарения.To conduct theoretical and theoretical studies of the effect of water supply at the beginning of compression on the parameters and parameters of theoretical cycles, calculations were performed using a mathematical model with compression ratios ε = 8, 10, 12, and 14, fractions of the amount of injected water from the amount of fuel supplied to supply heat ; 0.125; 0.25; 0.375; 0.5; 0.75; 1.0 and 1.25, as well as maintaining the coefficients of excess air α = 1 and filling η V = 1, as well as T a = 293 K. It was assumed that the size of water droplets during spraying is such that they are heated by the end of compression to boiling point t WATER . K without evaporation.
На фиг.9 видно, что чем выше степень сжатия ε, тем выше температура кипения воды tВОД.К благодаря более высокому давлению конца сжатия РС, а следовательно, и выше доля теплоты от количества подведенной теплоты, затраченной на нагрев воды при сжатии υC. С увеличением количества подаваемой воды температура ТC и давление РC в конце сжатия уменьшаются при всех степенях сжатия ε (фиг.10), tВОД.К снижается, a υС увеличивается (фиг.9) из-за преобладающего влияния увеличения .Figure 9 shows that the higher the compression ratio ε, the higher the boiling point of water t WATER. K due to the higher pressure of the end of compression P C , and therefore, the higher the proportion of heat from the amount of heat input to heat the water during compression υ C. With an increase in the amount of water supplied the temperature T C and pressure P C at the end of compression decrease at all compression ratios ε (Fig. 10), t WATER. K decreases, a υ С increases (Fig. 9) due to the prevailing influence of the increase .
Максимальная температура цикла TZ для более высоких степеней сжатия ε имеет и более высокие значения (фиг.11) благодаря более высокой температуре конца сжатия ТC. С увеличением количества подаваемой воды максимальная температура цикла TZ при α=1 снижается значительно благодаря увеличению количества воды, превращаемой в пар при V=const, а также снижению температуры конца сжатия ТC. Для более высоких степеней сжатия получаются большие максимальные давления цикла при одинаковом количестве из-за более высоких давлений конца сжатия РC. С увеличением максимальное давление цикла PZ не снижается, а даже немного увеличивается, что связано с увеличением количества рабочего тела в связи с превращением воды в пар при V=const.The maximum cycle temperature T Z for higher compression ratios ε has higher values (11) due to the higher temperature of the compression end T C. With an increase in the amount of water supplied the maximum cycle temperature T Z at α = 1 decreases significantly due to an increase in the amount of water converted to steam at V = const, as well as a decrease in the temperature of the end of compression T C. For higher compression ratios, large maximum cycle pressures are obtained with the same amount due to the higher compression end pressures P C. With increasing the maximum pressure of the cycle P Z does not decrease, but even slightly increases, which is associated with an increase in the quantity of the working fluid in connection with the conversion of water into steam at V = const.
Изменение КПД ηi и среднего давления теоретического цикла Рi в зависимости от количества поданной воды определяется изменениями доли потерь теплоты на сжатие qСЖ, давления конца расширения Рb и максимального давления цикла РZ, а также показателем политропы расширения nр в зависимости от . Для больших ε получаются и большие значения Рi и ηi (фиг.9 и 11) независимо от количества поданной воды . Оптимальные значения достигаются при . При высоких степенях сжатия эти показатели располагаются ближе к 0,375, а при более низких - к 0,5. Таким образом, с увеличением количества подаваемой воды и уменьшением максимальной температуры цикла TZ значения ηi и Рi не только снижаются, а даже увеличиваются и имеют оптимальное значение при в зависимости от степени сжатия ε. Затем они начинают уменьшаться по мере увеличения . На увеличение ηi и Рi при небольших оказывает превалирующее влияние увеличение количества рабочего тела по сравнению с уменьшением TZ. Уменьшение ηi и Рi при больших происходит из-за преобладающего влияния на них снижения TZ по сравнению с увеличением количества рабочего тела. При одинаковой TZ=const значения ηi и Рi получаются наиболее высокими при более высоких степенях сжатия ε (фиг.11), причем максимальное давление цикла PZ становится тоже наибольшим. Следует отметить еще одно положительное свойство рабочего тела, возникающее при подаче воды, это быстрое линейное уменьшение TZ с увеличением и пологое изменение кривых ηi и , что может обеспечить устойчивую работу двигателя.Change in efficiency η i and average pressure of the theoretical cycle P i depending on the amount of water supplied is determined by changes in the fraction of heat loss in compression q SJ , the pressure of the end of expansion P b and the maximum cycle pressure P Z , as well as the polytropic expansion index n p depending on . For large ε, large values of P i and η i are obtained (Figs. 9 and 11) regardless of the amount of water supplied . Optimum values are achieved with . At high degrees of compression, these figures are closer to 0.375, and at lower levels to 0.5. Thus, with an increase in the amount of water supplied and by decreasing the maximum cycle temperature T Z, the values of η i and P i not only decrease, but even increase and have an optimal value for depending on the degree of compression ε. Then they begin to decrease as they increase. . To increase η i and P i at small exerts a predominant increase in the number of working fluid compared with a decrease in T Z. The decrease in η i and P i at large occurs due to the predominant influence on them of a decrease in T Z compared to an increase in the number of working fluid. For the same T Z = const, the values of η i and P i are the highest at higher compression ratios ε (Fig. 11), and the maximum cycle pressure P Z also becomes the largest. It should be noted one more positive property of the working fluid that occurs when water is supplied, this is a rapid linear decrease in T Z with increasing and a gentle change in the curves η i and that can ensure stable operation of the engine.
Для того чтобы убедиться, что обнаруженные свойства рабочего тела в циклах с изохорными подводом и отводом теплоты, возникающие при подаче воды, будут сохраняться и при других давлениях Ра и температурах Та начала сжатия, были произведены аналогичные расчеты при Ра=(0,6 и 1,8)·105 Па и степенях сжатия ε=8 и 12, а также при Та=353 и 413 К и ε=8 и 12, то есть при таких значениях Ра и Та, которые наблюдаются у существующих бензиновых двигателей. Было установлено, что характер кривых ηi и изменяется несущественно, только максимумы КПД ηi и среднего давления Pi теоретических циклов с понижением Ра и увеличением Та смещаются в сторону меньших , а с увеличением Ра и уменьшением Та в сторону больших . При ε=12 они получаются смещенными в сторону меньших , а при ε=8 в сторону больших . Заметного влияния Та и Ра на оптимальное количество не предвиделось потому, что они сами не влияют на КПД теоретического цикла при их изменении в широких пределах. Существенное влияние на среднее давление теоретического цикла Рi и на его КПД оказывает степень сжатия ε, поэтому на фиг.9 и 11 приведены подробно влияние на Pi и ηi при различных ε=8÷14.In order to make sure that the detected properties of the working fluid in cycles with isochoric supply and removal of heat that occur during water supply will be preserved at other pressures P a and temperatures T a of the beginning of compression, similar calculations were performed at P a = (0, 6 and 1.8) · 10 5 Pa and compression ratios ε = 8 and 12, as well as at Т а = 353 and 413 К and ε = 8 and 12, that is, at the values of Р а and Т а , which are observed for existing gasoline engines. It was found that the nature of the curves η i and changes insignificantly, only the maxima of the efficiency η i and the average pressure P i of the theoretical cycles with a decrease in P a and an increase in T a shift to smaller , and with an increase in P a and a decrease in T a towards large . At ε = 12, they turn out to be biased towards smaller , and for ε = 8 towards large . Noticeable effect of T a and P a on the optimal amount it was not foreseen because they themselves do not affect the efficiency of the theoretical cycle when they change over a wide range. A significant effect on the average pressure of the theoretical cycle P i and on its efficiency is exerted by the compression ratio ε, therefore, Figures 9 and 11 show in detail the effect on P i and η i for various ε = 8 ÷ 14.
В результате проведенных расчетно-теоретических исследований установлено, что для теоретических циклов с изохорными подводом и отводом теплоты существует оптимальное количество воды, при подаче которой в рабочее тело, в начале сжатия, получаются наибольшими КПД ηi и среднее давление Pi теоретических циклов. Величина оптимального количества воды зависит от степени сжатия. Для больших степеней сжатия оно располагается ближе к 0,375, а для меньших степеней ближе к 0,5. Меньшее количество воды характерно для более высоких Та и низких Ра, а большее количество необходимо подавать при более низких Та и высоких Ра.As a result of theoretical and theoretical studies, it was found that for theoretical cycles with isochoric supply and removal of heat, there is an optimal amount of water, which, when supplied to the working fluid, at the beginning of compression, the greatest efficiency η i and average pressure P i of theoretical cycles are obtained. The optimal amount of water depends on the degree of compression. For large degrees of compression, it is closer to 0.375, and for lower degrees closer to 0.5. A smaller amount of water is characteristic of higher T a and low P a , and a larger amount must be supplied at lower T a and high P a .
Для экспериментального подтверждения теоретических результатов использовались экспериментальные данные по изменению удельного эффективного расхода топлива ge, среднего эффективного давления Ре в зависимости от количества распыленной воды в горючей смеси при коэффициентах избытка воздуха α=0,93; 1,0; 1,08 [Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. - 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1981. - 160 с.], а также рассчитывались параметры и технико-экономические показатели двигателя МЗМА-407 при различных количествах добавляемой воды во впускной воздух по математической модели. Результаты расчетов приведены на графиках (фиг.12 и 13).To experimentally confirm the theoretical results, we used experimental data on the change in the specific effective fuel consumption g e , the average effective pressure P e depending on the amount of sprayed water in the combustible mixture with coefficients of excess air α = 0.93; 1.0; 1,08 [Zvonov V.A. Toxicity of internal combustion engines. - 2nd ed., Revised. - M.: Mechanical Engineering, 1981. - 160 p.], And also calculated the parameters and technical and economic indicators of the MZMA-407 engine with various amounts of added water into the intake air according to the mathematical model. The calculation results are shown in the graphs (Fig.12 and 13).
С увеличением количества впрыснутой воды в горючую смесь коэффициент наполнения ηV сначала увеличивается, а затем уменьшается (фиг.12). Повышение ηV происходит благодаря уменьшению температуры горючей смеси в конце впуска Та, несмотря на увеличение коэффициента остаточных газов γ, до . Затем этот коэффициент начинает убывать из-за более быстрого увеличения γ при небольшом повышении Тa. Повышение коэффициента остаточных газов γ связано с уменьшением температуры остаточных газов Тr при всех значениях α. Для α=0,93 коэффициенты остаточных газов γ (кривая 1) получаются больше, чем для α=1 (кривая 2), из-за меньших температур остаточных газов Тr, несмотря на более высокие коэффициенты наполнения ηV. При α=1,08 кривая 3 остаточных газов располагается выше, чем при α=1 (кривая 2) и α=0,93 (кривая 1), из-за более низких значений Тr, чем у кривой 2 (α=1), и более меньших значений коэффициентов наполнения ηV (кривая 3), чем у кривых 1 (α=0,93) и 2 (α=1). Уменьшение температуры остаточных газов с увеличением связано с уменьшением максимальной температуры газов TZ и температуры газов в конце расширения Tb.With an increase in the amount of water injected into the combustible mixture, the filling coefficient η V first increases and then decreases (Fig. 12). An increase in η V occurs due to a decrease in the temperature of the combustible mixture at the end of the inlet T a , despite the increase in the coefficient of residual gases γ, to . Then this coefficient begins to decrease due to a faster increase in γ with a slight increase in T a . An increase in the coefficient of residual gases γ is associated with a decrease in the temperature of the residual gases T r for all values of α. For α = 0.93, the residual gas coefficients γ (curve 1) are obtained more than for α = 1 (curve 2), due to lower temperatures of the residual gases T r , despite the higher filling factors η V. For α = 1.08,
Значение удельного эффективного расхода топлива ge по мере увеличения до 0,5÷0,75 уменьшаются, а величины индикаторного ηi и эффективного КПД повышаются при всех α=0,93; 1,0; 1,08 (фиг.13). При ge начинает возрастать, a ηi и ηе убывать. Характер изменений кривых qe, ηI, , в основном, определяется значениями максимальных температур TZ и давлений PZ газов, давлениями горючей смеси в конце сжатия РC, коэффициентами использования теплоты υZ в в.м.т., а также величинами показателей политроп сжатия nC и расширения nP. Несмотря на незначительное влияние процесса сгорания на продувку и наполнение цилиндров характер изменения кривых ηi и получился очень даже похожим на кривые изменения теоретического КПД термодинамического цикла с изохорными подводом и отводом теплоты. Разница заключается лишь в оптимальных значениях этих КПД, которые для термодинамического цикла получились в диапазоне в зависимости от ε, Ра, Та, а для действительного цикла в области в зависимости от α. При таком пологом изменении этих кривых такое расхождение может быть как за счет точности проведения экспериментов, так и расчетов, тем более, что у них имеется общая цифра при одинаковых степенях сжатия ε=8 и коэффициентах избытка воздуха α=1. Приращения абсолютных значений теоретического и индикаторного КПД в зависимости от у этих циклов получаются также почти одинаковыми. Разница, конечно, есть, но и она не принципиальна и на порядок меньше погрешностей экспериментального определения ηi. Абсолютные значения КПД теоретического цикла получились значительно больше индикаторного КПД реального цикла из-за отсутствия тепловых потерь в систему охлаждения, химической неполноты сгорания топлива, а также сгоранию топлива в в.м.т. в этом цикле.The value of the specific effective fuel consumption g e with increasing up to 0.5 ÷ 0.75 decrease, and the values of indicator η i and effective efficiency increase for all α = 0.93; 1.0; 1.08 (Fig.13). At g e begins to increase, a η i and η e decrease. The nature of the changes in the curves q e , η I , mainly determined by the values of the maximum temperatures T Z and pressures P Z of the gases, the pressures of the combustible mixture at the end of compression Р C , the heat utilization factors υ Z in bhp, as well as the values of the polytropic parameters of compression n C and expansion n P . Despite the insignificant effect of the combustion process on the purge and filling of the cylinders, the nature of the change in the curves η i and it turned out to be very similar to the curves of changes in the theoretical efficiency of the thermodynamic cycle with isochoric supply and removal of heat. The difference lies only in the optimal values of these efficiency, which for the thermodynamic cycle were in the range depending on ε, P a , T a , and for the actual cycle in the field depending on α. With such a gentle change in these curves, such a discrepancy can be due to the accuracy of the experiments and calculations, especially since they have a common figure at the same compression ratios ε = 8 and air excess coefficients α = 1. Increments in the absolute values of theoretical and indicator efficiency depending on these cycles are also almost identical. There is, of course, a difference, but it is not fundamental and is an order of magnitude smaller than the errors of the experimental determination of η i . The absolute values of the efficiency of the theoretical cycle turned out to be much more than the indicator efficiency of the real cycle due to the absence of heat losses in the cooling system, chemical incompleteness of fuel combustion, as well as fuel combustion in bhp. in this cycle.
Результаты проведенных исследований позволяют увеличить КПД реальных циклов не только из-за увеличения количества совершаемой работы в результате добавления воды в горючую смесь и снижения максимальной температуры сгорания, но и еще за счет повышения степени сжатия, без увеличения октанового числа топлива и увеличения коэффициента избытка воздуха до α=1,1÷1,2, исключения из конструкций двигателей системы охлаждения, а также благодаря утилизации теплоты отработавшего масла и продуктов сгорания.The results of the studies allow us to increase the efficiency of real cycles, not only due to an increase in the amount of work performed as a result of adding water to the combustible mixture and lowering the maximum combustion temperature, but also due to an increase in the compression ratio, without increasing the octane number of the fuel and increasing the excess air coefficient to α = 1.1 ÷ 1.2, exceptions from the designs of engines of the cooling system, and also due to the utilization of the heat of the spent oil and combustion products.
Выше было рассмотрено, какое количество воды нужно распыливать во впускном воздухе, чтобы эффективный КПД бензинового двигателя был наибольшим при нагреве капель воды к концу сжатия до температуры кипения Твод.к. Эта температура достигается изменением качества распыливания, которая характеризуется средним размером капель (Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания»/ Д.Н.Вырубов, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. - М.: Машиностроение, 1983. - 372 с., ил.). Здесь под средним размером капель dк.ср., характеризующим качество распыливания воды, понимается такой диаметр капель, при расчете по которому они нагреваются к концу сжатия до Твод.к, при этом давление Рс и температура Тс горючей смеси к этому моменту становятся наименьшими, а работа цикла наибольшей для заданного или оптимального количества распыленной воды. Для определения этого размера капель определялось количество теплоты, которое передается к каплям воды с размерами dК.СР теплоотдачей от рабочего тела за время dtIt was discussed above how much water needs to be sprayed in the intake air so that the effective efficiency of the gasoline engine is greatest when the water droplets are heated by the end of compression to the boiling temperature T water.k . This temperature is achieved by changing the spray quality, which is characterized by the average droplet size (Internal combustion engines: Theory of piston and combined engines. A textbook for universities on a specialty "Internal combustion engines" / D.N. Vyrubov, N.A. Ivaschenko, V.I. Ivin and others. - M.: Mechanical Engineering, 1983.- 372 p., Ill.). Here under the average droplet size d k.av. characterizing the quality of spraying water, we understand the diameter of the droplets, when calculated according to which they are heated by the end of compression to T water.k , while the pressure P s and temperature T with the combustible mixture at this time become the smallest, and the cycle work is the largest for a given or optimal amount of sprayed water. To determine this droplet size, the amount of heat was determined, which is transferred to water droplets with dimensions d K. CP heat transfer from the working fluid during the time dt
где: FK=πd2 К.СР - поверхность капли размером dК.СР, м2;where: F K = πd 2 K. CP - surface of a droplet of size d K. CP , m 2 ;
iK - количество капель размером dК.СР;i K is the number of drops of size d K. CP ;
- средний коэффициент теплоотдачи за ; - average heat transfer coefficient per ;
- температура сжатия рабочего тела в зависимости от времени t, К; - the compression temperature of the working fluid, depending on the time t, K;
- температура капли воды в зависимости от времени t, К. - temperature of a drop of water depending on time t, K.
А также количество теплоты, которое воспринимается каплями воды при их нагреве на аТК As well as the amount of heat that is perceived by drops of water when they are heated at AT K
где: СВОД.СР - средняя теплоемкость капель воды размером dК.СР при изменении их температуры на dТK, ;where: WATER. SR - average heat capacity of water droplets with size d K. SR when their temperature changes by dТ K , ;
- масса капли размером dК.СР, кг; - the mass of a drop of size d K. CP , kg;
ρВОД.СР - средняя плотность капель воды размером dК.СР при изменении их температуры на dTК, кг/м3.ρ WATER. SR is the average density of water droplets of size d K. SR when their temperature changes by dT K , kg / m 3 .
Интегрируя уравнения 36 и 37, преобразовывая и приравнивая их получим выражение для определения dК.СР Integrating
где: - среднее значение критерия Нуссельта за Δφ=180° п.к.в.;Where: - the average value of the Nusselt criterion for Δφ = 180 ° p.c.
ТВОД.Н - начальная температура распыливаемой воды в воздухе, К;T VOD.N - initial temperature of the sprayed water in the air, K;
ω - частота вращения коленчатого вала, 1/с.ω is the crankshaft rotation frequency, 1 / s.
Для определения текущих значений температуры и давления при сжатии рабочего тела предложены уравнения (39) и (40)To determine the current temperature and pressure when compressing the working fluid, equations (39) and (40) are proposed
По разработанной методике, используя численные методы, были рассчитаны dК.СР для двигателя МЗМА-407 при n=2600 об/мин в зависимости от доли впрыснутой воды от количества поданного топлива, при различных коэффициентах избытка воздуха α и кондуктивном теплообмене этих капель с горючей смесью (Nn=2). Результаты расчетов сведены в таблицу. В эту таблицу занесены еще значения давления Рс и температуры Тc горючей смеси в конце сжатия, а также среднего размера капель dК.СР двигателя МЗМА-407, работающего при ω=2600 об/мин, различных и α, давление Рс и температура Тс горючей смеси в конце сжатия.According to the developed method, using numerical methods, d K.СР were calculated for the MZMA-407 engine at n = 2600 rpm depending on the proportion of injected water the amount of fuel supplied, at various coefficients of excess air α and the conductive heat transfer of these droplets with a combustible mixture (N n = 2). The calculation results are summarized in the table. This table also contains the values of the pressure Pc and temperature Tc of the combustible mixture at the end of compression, as well as the average droplet size d K. CP of the MZMA-407 engine operating at ω = 2600 rpm, various and α, pressure Pc and temperature Tc of the combustible mixture at the end of compression.
Значения давления Рс и температуры Тc горючей смеси в конце сжатия, а также среднего размера капель dК.СР двигателя МЗМА-407, работающего при ω=2600 об/мин, различных и αTable
The values of the pressure Pc and temperature Tc of the combustible mixture at the end of compression, as well as the average droplet size d K. CP of the MZMA-407 engine operating at ω = 2600 rpm, various and α
В таблице видно, что чем больше , тем меньше Рс и Тс, а также требуемый размер капель dК.СР из-за уменьшения Рс и Тс. Чем меньше Рс при Тс=const, тем на меньшую температуру должны быть нагреты однородные капли, что возможно при меньшей их поверхности, а следовательно, большем dК.СР. С уменьшением Тс при Рc=const тепловой поток к каплям уменьшается, его уменьшение компенсируется увеличением поверхностей этих капель, а следовательно, уменьшением dК.СР. Следовательно, на уменьшение dК.СР влияет не только уменьшение Рс с увеличением , но и уменьшение Тс. С увеличением коэффициента избытка воздуха Рс уменьшается, а Тс увеличивается, а требуемый размер капель dК.СР растет из-за преобладающего влияния увеличения Тс. При α=1 и наивыгоднейшем размер капель dК.СР получается 190÷220 мкм. Для того чтобы получить такой размер капель в горючей смеси достаточно вытекающую струю воды из распылителя распыливать потоком воздуха в диффузоре [Автомобильные двигатели / В.М.Архангельский, М.М.Вихерт, А.Н.Воинов и др. - М.: Машиностроение, 1967. - 496 с.: ил.].The table shows that the more , the smaller Pc and Tc, as well as the required droplet size d K. CP due to a decrease in Pc and Tc. The smaller Pc at Tc = const, the homogeneous droplets should be heated to a lower temperature, which is possible with a smaller surface and, consequently, a larger d K. CP . With a decrease in Tc at Pc = const, the heat flux to the drops decreases, its decrease is compensated by an increase in the surfaces of these drops, and therefore, a decrease in d K. CP . Therefore, a decrease in d K. CP is affected not only by a decrease in Pc with increasing , but also a decrease in Tc. With an increase in the coefficient of excess air, Pc decreases and T c increases, and the required droplet size d K. CP increases due to the predominant influence of an increase in Tc. For α = 1 and the best the droplet size d K. CP is 190 ÷ 220 microns. In order to obtain such a droplet size in a combustible mixture, a sufficiently flowing stream of water from a spray gun should be sprayed with a stream of air in a diffuser [Automotive engines / V.M. Arkhangelsky, M.M. Vichert, A.N. Voinov et al. - M.: Mechanical Engineering , 1967. - 496 p.: Ill.].
Таким образом, уже на стадии проектирования нового двигателя для него может быть вычислен dК.СР, а по нему определен расчетом диаметр соплового отверстия распылителя (Подача и распыливание топлива в дизелях. Астахов И.В., Трусов В.И., Хачиян А.С. и др. - М.: Машиностроение, 1971. - 359 с.: ил.). Затем этот диаметр уточняется при проведении испытаний на промышленном или опытном образце по наименьшим давлению и температуре в конце сжатия и наибольшим индикаторному и эффективному КПД.Thus, already at the stage of designing a new engine, d K.СР can be calculated for it, and the diameter of the nozzle opening of the atomizer can be determined from it (Fuel supply and atomization in diesel engines. Astakhov IV, Trusov VI, Khachiyan A .S. Et al. - M.: Mechanical Engineering, 1971. - 359 p.: Ill.). Then, this diameter is specified when testing on an industrial or prototype at the lowest pressure and temperature at the end of compression and the highest indicator and effective efficiency.
Размер распылителя можно определить еще опытным путем на опытном или промышленном образце впрыскиванием воды через распылители различного размера во впускной воздух и прокручиванием поршневого двигателя электродвигателем по наименьшим давлению и температуре горючей смеси в конце сжатия. На работающем двигателе он тоже может быть установлен только по наименьшему давлению и температуре рабочего тела в начале горения и наибольшим индикаторному или эффективному КПД. При этом средний dК.СР тоже может быть установлен путем измерения диаметра однородных капель в факелах, образующихся при распыливании воды через распылители различного размера. Если в факелах будут образовываться неоднородные капли, то dК.СР может быть определен расчетом по уравнению (38) и известным экспериментальным минимальным давлению и температуре в конце сжатия.The size of the atomizer can be determined even empirically on a test or industrial model by injecting water through various atomizers into the intake air and scrolling the piston engine by the electric motor at the lowest pressure and temperature of the combustible mixture at the end of compression. On a running engine, it can also be installed only by the lowest pressure and temperature of the working fluid at the beginning of combustion and the highest indicator or effective efficiency. In this case, the average d K. CP can also be established by measuring the diameter of homogeneous droplets in the torches formed by spraying water through sprayers of various sizes. If inhomogeneous droplets form in the flares, then d K. CP can be determined by calculation according to equation (38) and the known experimental minimum pressure and temperature at the end of compression.
Для реализации высокой степени сжатия в комбинированных бензиновых двигателях необходимо знать, какое количество воды необходимо добавлять во впускной воздух, чтобы не возникала в них детонация. Известно, что основными факторами, оказывающими наиболее значительное влияние на возникновение детонации в бензиновых двигателях являются максимальные температура TZ и давление PZ сгорания. Были проведены исследования с помощью разработанной авторами математической модели и экспериментальных данных, какое должно быть снижение ТZ при повышении PZ. При этом анализировались экспериментальные данные различных исследователей, в которых изменялись количество подаваемой воды во впускной воздух, давление и температура надувочного воздуха, степень сжатия, коэффициент избытка воздуха, угол опережения зажигания и нагрузка (Ефремов П.К. К вопросу о дополнительном питании тепловых двигателей водой. - В кн.: Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств. - Т.1. - Харьков, 1977. - С.221-261, а также Добрынин А.А. Детонация в двигателях, 1949. - 58 с.: ил.). Проведенные исследования позволили построить графики понижения максимальной температуры газов на единицу повышения максимального давления сгорания в зависимости от значения TZ (фиг.14), потерь теплоты в систему охлаждения qОХЛ (фиг.15) и с выпускными газами qВЫП (фиг.16). С увеличением значения TZ средние значения уменьшаются (фиг.14). Большие значения относятся к экспериментам с меньшими значениями qОХЛ и с большими величинами qВЫП, т.е., для опытов с повышенной теплонапряженностью двигателя. Меньшие значения характерны для экспериментов, в которых значения qОХЛ получались наибольшими, а значения qВЫП наименьшими, т.е. для тех случаев, в которых теплонапряженность двигателя была наименьшей. С уменьшением значений qОХЛ, то есть с возрастанием теплонапряженности двигателя, значения увеличиваются (фиг.15), причем большие значения относятся к опытам, в которых значения TZ были наименьшими, меньшие величины к экспериментам с более высокими TZ. С возрастанием значений qВЫП значения возрастают (фиг.16) из-за повышения теплонапряженности двигателя, причем большие значения относятся к экспериментам, в которых значения TZ были наименьшими, а меньшие величины к опытам с большими значениями TZ.To realize a high compression ratio in combined gasoline engines, you need to know how much water must be added to the intake air so that knocking does not occur in them. It is known that the main factors that have the most significant effect on the occurrence of detonation in gasoline engines are the maximum temperature T Z and pressure P Z of combustion. Studies were conducted using the mathematical model developed by the authors and experimental data, which should be a decrease in T Z with increasing P Z. In this case, the experimental data of various researchers were analyzed, in which the amount of water supplied to the inlet air, the pressure and temperature of the charge air, the compression ratio, the excess air coefficient, the ignition timing and the load (Efremov P.K., On the issue of additional supply of heat engines to water) - In the book: Protection of the air basin from pollution by toxic emissions of vehicles - T.1. - Kharkov, 1977. - P.221-261, as well as Dobrynin A.A. Detonation in engines, 1949. - 58 p. : ill.). The studies performed allowed us to construct graphs for lowering the maximum gas temperature per unit of increase in the maximum combustion pressure depending on the value of T Z (Fig. 14), heat loss to the cooling system q OHL (Fig. 15) and with the exhaust gases q RH (Fig. 16). With increasing values of T Z average values decrease (Fig. 14). Big values relate to experiments with lower values of q OHL and with large q values of RPC , i.e., for experiments with increased thermal stress of the engine. Lower values typical for experiments in which the q OHL values were obtained by the largest, and the qQR values were the smallest, i.e. for those cases in which the thermal stress of the engine was the smallest. With a decrease in q OHL values, i.e., with an increase in the thermal stress of the engine, the values increase (Fig. 15), with larger values referring to experiments in which the values of T Z were the smallest, lower values to experiments with higher T Z. With increasing values of q values SAT increase (Fig. 16) due to an increase in the thermal stress of the engine, with larger values referring to experiments in which the values of T Z were the smallest and smaller values to experiments with large values of T Z.
Полученные графики на фиг.14, 15 и 16 позволят далее произвести расчеты по повышению степени сжатия бензиновых двигателей при их создании с двухфазным рабочим телом и исключению у них системы охлаждения без увеличения октанового числа топлива, а также повышения теплонапряженности благодаря впрыскиванию воды в горючую смесь.The obtained graphs in Figs. 14, 15 and 16 will allow further calculations to be made to increase the compression ratio of gasoline engines when they are created with a two-phase working fluid and to exclude the cooling system from them without increasing the octane number of the fuel, as well as increasing the heat stress due to the injection of water into the combustible mixture.
Для того чтобы рассчитывать параметры и показатели комбинированного бензинового двигателя с конвертированным(и) газовым(и) цилиндром(ами) в паровой(ые), авторами разработана математическая модель теплового расчета цикла бензиновых двигателей, дополнена уравнениями для определения количества получаемого пара и расчета работы, совершаемой им в паровом(ых) цилиндре(ах).In order to calculate the parameters and indicators of a combined gasoline engine with converted (s) gas (s) cylinder (s) into steam (s), the authors developed a mathematical model for the thermal calculation of the cycle of gasoline engines, supplemented by equations to determine the amount of steam produced and calculate the work, performed by him in the steam cylinder (s).
Количество образующегося пара в парогенераторе mпар может быть определено в кг/с из уравнения теплового балансаThe amount of steam generated in the steam generator m pairs can be determined in kg / s from the heat balance equation
где: ТПАР - температура образующегося пара, К;where: T PA - the temperature of the generated steam, K;
СПАР - теплоемкость пара при постоянном давлении и ТПАР, Дж/(кг·К);C PAR - the heat capacity of steam at constant pressure and T PAR , J / (kg · K);
ТВОД - температура воды, поступающей в парогенератор, К;T WATER is the temperature of the water entering the steam generator, K;
СВОД - теплоемкость воды, поступающей в парогенератор, Дж/(кг·К);With WATER is the heat capacity of the water entering the steam generator, J / (kg · K);
Gm - секундный расход топлива, кг/с;G m - second fuel consumption, kg / s;
α - коэффициент избытка воздуха;α is the coefficient of excess air;
L0 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг/кг;L 0 - theoretically necessary amount of air for combustion of 1 kg of fuel, kg / kg;
- относительное количество воды, добавляемой в горючую смесь, кг/кг; - the relative amount of water added to the combustible mixture, kg / kg;
Тр - температура продуктов сгорания, поступающих в парогенератор, К;T p - temperature of the combustion products entering the steam generator, K;
CПР.С - теплоемкость продуктов сгорания, поступающих в парогенератор, при постоянном давлении и Тр, Дж/(кг·К);C PR.C - heat capacity of the combustion products entering the steam generator at constant pressure and T p , J / (kg · K);
ТУХ.Г - температура продуктов сгорания за парогенератором, К;T UH.G - temperature of the combustion products behind the steam generator, K;
CУХ.Г - теплоемкость уходящих продуктов сгорания при постоянном давлении и ТУХ.Г, Дж/(кг·К);C UH.G - the heat capacity of the exhaust products of combustion at constant pressure and T UH.G , J / (kg · K);
mВОД - количество подаваемой воды в парогенератор, кг/с.m WATER is the amount of water supplied to the steam generator, kg / s.
Если в уравнении (41) вместо mВОД подставить mПАР, то тогда из этого уравнения можно определитьIf in equation (41), instead of m WATER, substitute m PAIR , then from this equation we can determine
Для определения давления пара в паровом(вых) цилиндре(ах) в начале расширения напишем уравнение материального балансаTo determine the vapor pressure in the steam (s) cylinder (s) at the beginning of expansion, we write the equation of material balance
где: VН.Р - объем пара в цилиндре(ах) в начале расширения, после закрытия впускного парового клапана φ1, м3;where: V N.P - the volume of steam in the cylinder (s) at the beginning of expansion, after closing the inlet steam valve φ 1 , m 3 ;
ρН.Р - плотность пара в цилиндре(ах) в начале расширения, кг/м3;ρ N. R - vapor density in the cylinder (s) at the beginning of expansion, kg / m 3 ;
iц.n - число цилиндров, конвертированных для работы на паре;i C. n is the number of cylinders converted to work on a pair;
ω - частота вращения коленчатого вала, 1/с.ω is the crankshaft rotation frequency, 1 / s.
Подставим в уравнение (43) значение плотности параWe substitute the value of vapor density in equation (43)
, тогда получим then we get
где: RПАР - газовая постоянная для пара, Дж/(кг·К).where: R PAR - gas constant for steam, J / (kg · K).
Удельный объем пара в конце расширения определитсяThe specific volume of steam at the end of the expansion is determined
где: υН.Р=1/ρН.Р - удельный объем пара в начале расширения, м3/кг;where: υ N.Р = 1 / ρ N.Р - specific volume of steam at the beginning of expansion, m 3 / kg;
υК.Р - удельный объем пара в цилиндре(ах) в конце расширения в момент открытия парового выпускного клапана φ2, м3.υ K.R - specific volume of steam in the cylinder (s) at the end of expansion at the time of opening of the steam exhaust valve φ 2 , m 3 .
По удельному объему пара в конце расширения и адиабатному его расширению в цилиндре находим температуру ТК.Р и давление РК.Р в конце расширения по таблицам для водяного пара.According to the specific volume of steam at the end of the expansion and its adiabatic expansion in the cylinder, we find the temperature T K.P and the pressure P K.P at the end of the expansion according to the tables for water vapor.
Индикаторная работа, совершаемая паром в цилиндре до открытия выпускного парового клапана, определится по уравнениюThe indicator work performed by the steam in the cylinder before the opening of the exhaust steam valve is determined by the equation
где: hК.Р и hН.Р - энтальпия пара в начале и в конце процесса расширения в цилиндре, Дж/(кг·К);where: h K.R and h N.R - vapor enthalpy at the beginning and at the end of the expansion process in the cylinder, J / (kg · K);
РН.Р и РК.Р - давление пара в начале и в конце процесса расширения, Па;R N.R and R K.R — vapor pressure at the beginning and at the end of the expansion process, Pa;
υН.Р и υК.Р - удельные объемы пара в начале и в конце расширения, кг/м3.υ N.Р and υ К.Р - specific volumes of steam at the beginning and at the end of expansion, kg / m 3 .
Значения hК.Р и hН.Р находятся по таблицам для водяного пара.The values of h K.P and h N.P are found in the tables for water vapor.
Для определения работы, совершаемой паром в паровом цилиндре за период предварения выпуска LО.В (от φ2 до 180° п.к.в), а также работы, затрачиваемой поршнем на выталкивание пара при его движении от н.м.т. к в.м.т. (от 180 до 360 гр.п.к.в), напишем уравнения состояния и материального балансаTo determine the work performed by the steam in the steam cylinder during the pre-release period of L O.V. (from φ 2 to 180 ° p.c.), as well as the work spent by the piston on expelling the steam when it moves from the engine to m.t. (from 180 to 360 gr.p.k.v), we write the equations of state and material balance
где: и - начальные значения давления и температуры пара в конце расширения в Па и К;Where: and - initial values of pressure and temperature of steam at the end of expansion in Pa and K;
- начальное значение количества пара в цилиндре в конце расширения в кг, принимается равным mПАР; - the initial value of the amount of steam in the cylinder at the end of the expansion in kg, is taken equal to m PAIR ;
где: dt - изменение времени в течение которого происходит истечение пара из цилиндраwhere: dt is the change in time during which steam expires from the cylinder
, ,
где: Δφ - изменение угла поворота коленчатого вала, гр. п.к.в;where: Δφ - change in the angle of rotation of the crankshaft, gr. p.c.
- средняя плотность пара, вытекающего из цилиндра, на участке Δφ, кг/м3; - the average density of the vapor flowing from the cylinder in the area Δφ, kg / m 3 ;
- среднее проходное сечение выпускного клапана на участке Δφ, м2; - the average flow cross section of the exhaust valve in the area Δφ, m 2 ;
- средняя скорость движения пара в сечении выпускного клапана на участке Δφ, м/с. - the average speed of steam in the cross section of the exhaust valve in the area Δφ, m / s.
Средняя скорость движения пара в сечении выпускного клапана рассчитывается по средней плотности пара в этом сечении, разности средних давлений пара в цилиндре и в конденсаторе, а также текущему сопротивлению этого клапана.The average speed of steam in the cross section of the exhaust valve calculated by the average vapor density in this section, the difference between the average vapor pressures in the cylinder and in the condenser, as well as the current resistance of this valve.
Текущее давление пара в цилиндре определяется по уравнению состояния и известному , которое находится по начальному и текущему удельным объемам пара и таблицам для водяного пара при адиабатном расширении.Current cylinder pressure determined by the equation of state and known which is at the initial and current specific volumes of steam and tables for water vapor with adiabatic expansion.
Работа, совершаемая паром в цилиндре с момента открытия выпускного клапана (φ2) до достижения поршнем н.м.т. (180 гр.п.к.в), определитсяThe work performed by the steam in the cylinder from the moment the exhaust valve is opened (φ 2 ) until the piston reaches m.t. (180 gr.p.k.)
где: РСР.n - среднее давление пара в цилиндре на n участке, м3;where: P SR.n is the average vapor pressure in the cylinder in the n section, m 3 ;
ΔVn - изменение объема цилиндра на n участке, м3.ΔV n is the change in the volume of the cylinder in the n section, m 3 .
Работа, затрачиваемая двигателем на выталкивание пара из цилиндра при его движении из н.м.т.(180 гр.п.к.в) в верхнюю (360 гр.п.к.в)The work spent by the engine on pushing steam out of the cylinder as it moves from the engine (180 gr.p.k.) to the upper (360 gr.p.k.)
Работа, затрачиваемая двигателем на преодоление сил трения поршня в паровом цилиндре,The work spent by the engine on overcoming the friction forces of the piston in the steam cylinder,
где: PMEX - среднее давление механических потерь;where: P MEX - average pressure of mechanical losses;
Vh -рабочий объем цилиндра, м3.V h is the working volume of the cylinder, m 3 .
Суммарная индикаторная работа, совершаемая паром в одном из цилиндров,The total indicator work performed by the steam in one of the cylinders,
Эффективная работа, совершаемая паром в одном из цилиндров,The efficient work done by steam in one of the cylinders,
где: LП.Н - работа, затрачиваемая двигателем на привод питательного насоса.where: L P.N - the work spent by the engine on the drive of the feed pump.
Величина LН.Н определится по формулеThe value of L N. H is determined by the formula
где: РНАС - давление подачи воды, равное РПАР, Па;where: P NAS - water supply pressure equal to P PAR , Pa;
ηНАС - КПД насоса;η NAS - pump efficiency;
ωНАС - частота вращения вала насоса, равная частоте вращения коленчатого вала ω, 1/с.ω NAS - the frequency of rotation of the pump shaft, equal to the rotational speed of the crankshaft ω, 1 / s.
Эффективная мощность комбинированного двигателя без турбодетандераThe effective power of the combined engine without turbo expander
Удельный эффективный расход топлива комбинированного двигателя без турбодетандераSpecific effective fuel consumption of a combined engine without a turboexpander
Эффективный КПД комбинированного двигателя без турбоденатораEffective efficiency of a combined engine without a turbo-feeder
При наличии турбодетандера изменится противодавление в выпускном коллекторе РP и появятся давление РК и температура ТК наддувочного воздуха для расчета реального цикла бензинового двигателя.In the presence of a turboexpander, the back pressure in the exhaust manifold P P will change and the pressure P K and the charge air temperature T K will appear to calculate the real cycle of the gasoline engine.
Давление наддувочного воздуха РК компрессора определится по уравнениюCompressor charge air pressure P K is determined by the equation
где: РО - давление воздуха на входе в компрессор, Па;where: P O - air pressure at the inlet to the compressor, Pa;
КК - показатель адиабата сжатия воздуха в компрессоре;K K is the adiabatic index of air compression in the compressor;
RВОЗ - газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг·К);R WHO - gas constant for air, J / (kg · K);
ТО - температура воздуха на входе в компрессор, К;T About - the air temperature at the inlet to the compressor, K;
GК - расход воздуха через компрессор, кг/с;G K - air flow through the compressor, kg / s;
NТ - полезная мощность турбины, Вт;N T - net power of the turbine, W;
ηК - адиабатический КПД компрессора.η K - adiabatic efficiency of the compressor.
Температура наддувочного воздуха ТК компрессора вычислитсяCharge-air temperature T K compressor Calc'd
Расход воздуха через компрессор составитThe air flow through the compressor will be
где: GТ - расход топлива в секунду, кг/с.where: G T - fuel consumption per second, kg / s.
Полезная мощность турбиныNet power of the turbine
где: ηТ - эффективный КПД турбины;where: η T is the effective efficiency of the turbine;
- степень понижения давления газов в турбине; - the degree of decrease in gas pressure in the turbine;
РР - давление газов перед турбиной, Па;P R - gas pressure in front of the turbine, Pa;
РР.О - давление газов на выходе из турбины, Па;P R.O - gas pressure at the outlet of the turbine, Pa;
ТР - температура газов перед газовой турбиной, К;T P is the temperature of the gases in front of the gas turbine, K;
GТ.ПР.СГ=GПР.СГGm - расход газов через турбину, кг/с.G T.PR.G.G = G PR.G. G m - gas flow through the turbine, kg / s.
Температура газов за газовой турбинойThe gas temperature behind the gas turbine
где: ηТ.АД - адиабатический КПД турбины.where: η T.AD - adiabatic efficiency of the turbine.
Для подтверждения промышленной применимости и эффективности работы комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом были произведены расчеты параметров и показателей циклов этого двигателя при нормальной температуре наружного воздуха tВОЗ=20°С и его температуре tВОЗ=40°С без турбодетандера при наличии дроссельной заслонки на выпуске и с турбодетандером (фиг.17, 18, 19). В качестве базового двигателя был выбран современный бензиновый двигатель Заволжского моторного завода ЗМЗ-4062.10. Произведены расчеты этого двигателя при tВОЗ=40°C, а его параметры и показатели представлены на фиг.17, 18, 19. При этой температуре на всех режимах работы его эффективная мощность получается значительно меньше, чем при tВОЗ=20°С, а при n=5000 об/мин это уменьшение составляет 8 кВт (7,7%). Эффективный КПД у него тоже снижается по всей внешней скоростной характеристике, и это снижение составляет при n=5000 об/мин 0,5%. При этом максимальные температура сгорания TZ возрастает, а давление уменьшается. Происходит это из-за того, что увеличивается температура горючей смеси в конце впуска и в конце сжатия, а коэффициент наполнения уменьшается. Значительное уменьшение эффективной мощности происходит из-за уменьшения количества сжигаемого топлива в цилиндре при неизменном коэффициенте избытка воздуха.To confirm the industrial applicability and efficiency of the combined engine with a two-phase working fluid, the parameters and parameters of the cycles of this engine were calculated at a normal outdoor temperature t WHO = 20 ° C and its temperature t WHO = 40 ° C without a turbine expander in the presence of a throttle valve at the outlet and with a turboexpander (Fig.17, 18, 19). The modern gasoline engine of the Zavolzhsky engine plant ZMZ-4062.10 was chosen as the base engine. The calculations of this engine were performed at t WHO = 40 ° C, and its parameters and indicators are presented in Figs. 17, 18, 19. At this temperature, at all operating modes, its effective power is much lower than at t WHO = 20 ° C, and at n = 5000 rpm, this decrease is 8 kW (7.7%). Its effective efficiency also decreases throughout the entire external speed characteristic, and this decrease at n = 5000 rpm is 0.5%. In this case, the maximum combustion temperature T Z increases, and the pressure decreases. This is due to the fact that the temperature of the combustible mixture at the end of the inlet and at the end of compression increases, and the filling coefficient decreases. A significant decrease in effective power occurs due to a decrease in the amount of fuel burned in the cylinder with a constant coefficient of excess air.
Комплектация двигателя парогенератором, конвертирование одного из цилиндров для работы на паре, повышение его степени сжатия до ε=14, увеличение коэффициента избытка воздуха с α=0,9 до α=1,1, подавление возникающей детонации в двигателе подачей воды в горючую смесь, а также его работа без дроссельной заслонки на выпуске и температуре наружного воздуха 20°С значительно повышают его эффективный КПД до 0,592 при ω=1000 об/мин и до 0,506 при ω=5000 об/мин, а эффективную мощность до 127 кВт при ω=5000 об/мин, то есть происходит увеличение ηe в 1,85÷1,87 раза, а эффективной мощности в 1,22÷1,23 раза по всей внешней скоростной характеристике. Меньшее увеличение Ne по сравнению Nе происходит из-за отключения и конвертирования одного из цилиндров бензинового двигателя для работы на паре.The engine is equipped with a steam generator, converting one of the cylinders to work on steam, increasing its compression ratio to ε = 14, increasing the coefficient of excess air from α = 0.9 to α = 1.1, suppressing the resulting detonation in the engine by supplying water to the combustible mixture, as well as its operation without a throttle valve at the outlet and an outdoor temperature of 20 ° С, its effective efficiency significantly increases up to 0.592 at ω = 1000 rpm and up to 0.506 at ω = 5000 rpm, and effective power up to 127 kW at ω = 5000 rev / min, i.e. there is an increase in η e 1.85 ÷ 1.87 times, and
Эти результаты получились несмотря на то, что при проведении расчетов сопротивление выпускного тракта из-за наличия парогенератора увеличивалось в 1,2 раза, а величина коэффициента использования теплоты в в.м.т. снижалась из-за увеличения коэффициента избытка воздуха с 0,9 до 1,1 в 1,14÷1,18 раза, по данным исследований традиционных и современных двигателей семейства ЗМЗ-406.10.These results were obtained despite the fact that during the calculations, the resistance of the exhaust tract due to the presence of a steam generator increased by 1.2 times, and the value of the heat utilization factor in bm decreased due to an increase in the coefficient of excess air from 0.9 to 1.1 by 1.14 ÷ 1.18 times, according to studies of traditional and modern engines of the ZMZ-406.10 family.
Благодаря добавлению воды в горючую смесь комбинированного двигателя и повышению его коэффициента избытка воздуха с α=0,9 до α=1,1 произошло значительное снижение TZ этого двигателя по всей внешней скоростной характеристике, несмотря на увеличение степени сжатия с ε=9,3 до ε=14 (кривая 2 на фиг.17). Максимальное давление сгорания выросло (кривая 2 на фиг.18) благодаря увеличению давления конца сжатия из-за повышений степени сжатия и коэффициента наполнения, несмотря на снижение TZ. Снижение максимальной температуры сгорания на единицу повышения максимального давления сгорания по сравнению с и TZ базового двигателя составило при ω=5000 об/мин , ω=4000 об/мин , а при ω=3000 об/мин , что допустимо для бездетонационной работы двигателя. Благодаря увеличению степени сжатия и коэффициента избытка воздуха произошло у него повышение среднего индикаторного давления Рi во всем диапазоне внешней скоростной характеристики (кривая 2 на фиг.18) по отношению к Pi=f(ω) базового двигателя как при tВОЗ=20°С, так и tВОЗ=40°С (кривая 1 на фиг.18). Кривая 2 РН.Х=f(ω) комбинированного двигателя (фиг.18)) получилась почти одинаковой с кривой 1 РН.Х=f(ω) базового двигателя как при tВОЗ=20°С, так и tВОЗ=40°С (фиг.18).Due to the addition of water to the combustible mixture of the combined engine and an increase in its excess air coefficient from α = 0.9 to α = 1.1, there was a significant decrease in T Z of this engine over the entire external speed characteristic, despite an increase in the compression ratio from ε = 9.3 to ε = 14 (
При температуре наружного воздуха tВОЗ≤20°С проблема охлаждения конденсата этим воздухом может быть решена без существенного увеличения теплопередающей поверхности, так как разность температур между ними составит не менее 40°С благодаря конденсации водяных паров при температуре более 60°С при отсутствии турбодетандера и дроссельной заслонки на выпуске. При повышении tВОЗ>20°С начинает снижаться количество передаваемой теплоты от конденсата к воздуху из-за уменьшения разности температур между ними. Для сохранения этой разности температур между этими теплоносителями приходится повышать температуру конденсации водяных паров в конденсаторе tP путем увеличения в нем давления РP, введением в конструкцию системы выпуска турбодетандера или дроссельной заслонки. При повышении tВОЗ≥40°С необходимо увеличивать tР≥80°C повышением давления РР≥2,5·105 Па. Такое повышение давления, прежде всего, сказывается на протекании процессов действительных циклов и увеличении работы насосных ходов, а следовательно, на ухудшении технико-экономических показателей комбинированного двигателя. Поэтому были произведены расчеты рабочих процессов этого двигателя при РР=2,5·105 Па и tВОЗ=40°C с дроссельной заслонкой на выпуске и с турбодетандером. На фиг.17 кривой 3 показано изменение эффективной мощности комбинированного двигателя с дроссельной заслонкой на выпуске по внешней скоростной характеристике. Эта кривая оказалась ниже кривой Ne=f(ω) базового двигателя ЗМЗ-4062 (кривая 1 фиг.17), рассчитанная при tВОЗ=40°С. На уменьшение мощности этого двигателя повлияло уменьшение коэффициента наполнения из-за увеличения коэффициента остаточных газов и повышения температуры горючей смеси в конце впуска, а также существенное возрастание работы насосных ходов (кривая 3 фиг.18). Уменьшение Ne на частоте вращения коленчатого вала 5000 об/мин произошло на 6,5 кВт по сравнению с Ne базового двигателя при tВОЗ=40°С. Это снижение мощности может быть устранено при необходимости кратковременным уменьшением РP. Несмотря на снижение эффективной мощности у комбинированного двигателя при tВОЗ=40°С и наличии дроссельной заслонки на выпуске эффективный КПД у него значительно вырос по всей внешней скоростной характеристике (кривая 3 фиг.17) относительно ηе=f(ω) базового двигателя как при tВОЗ=20°С, так и tВОЗ=40°С. При одинаковом изменении у этого двигателя как при tВОЗ=20°С, так и tВОЗ=40°С (кривые 2 и 3 на фиг.19) кривая TZ=f(ω) при tВОЗ=40°С (на фиг.17) расположилась выше аналогичной кривой, рассчитанной при tВОЗ=20°С, кривая , наоборот, ниже по сравнению с кривой при tВОЗ=20°С. Такие изменения TZ и PZ связаны с уменьшением коэффициента наполнения ηV и увеличением температуры конца впуска Та при повышении температуры наружного воздуха. При этом снижение максимальной температуры сгорания на единицу повышения максимального давления сгорания составило по сравнению с и TZ базового двигателя при ω=5000 об/мин , ω=4000 об/мин и ω=3000 об/мин . Снижение температуры ΔТZ произошло на значительно большую величину, чем требуется для работы двигателя без детонации. Такие высокие получились, в основном, из-за низких в результате уменьшения коэффициента наполнения.At an outside air temperature t WHO ≤20 ° С, the problem of condensate cooling with this air can be solved without a significant increase in the heat transfer surface, since the temperature difference between them will be at least 40 ° С due to condensation of water vapor at a temperature of more than 60 ° С in the absence of a turbine expander and throttle on release. With increasing t WHO > 20 ° C, the amount of transferred heat from condensate to air begins to decrease due to a decrease in the temperature difference between them. To maintain this temperature difference between these coolants, it is necessary to increase the condensation temperature of water vapor in the condenser t P by increasing the pressure P P in it , introducing a turbo expander or throttle valve into the design of the exhaust system. With an increase in t WHO ≥40 ° C, it is necessary to increase t P ≥80 ° C by increasing the pressure P P ≥2.5 · 10 5 Pa. Such an increase in pressure, first of all, affects the course of the processes of the actual cycles and the increase in the operation of pumping strokes, and consequently, the deterioration of the technical and economic indicators of the combined engine. Therefore, the calculations were made of the working processes of this engine at P P = 2.5 · 10 5 Pa and t WHO = 40 ° C with a throttle valve at the outlet and with a turboexpander. On Fig.
Как показали расчеты, проблема регенерации воды из продуктов сгорания при tВОЗ≥40°С, даже без существенного усложнения конструкции, решается при повышении эффективного КПД при ω=5000 об/мин в 1,55 раза, ω=4000 об/мин в 1,51 раза и ω=3000 об/мин в 1,45 раза по отношению к ηе базового двигателя.As calculations showed, the problem of water regeneration from combustion products at t WHO ≥40 ° C, even without a significant complication of the design, is solved by increasing the effective efficiency at ω = 5000 rpm by 1.55 times, ω = 4000 rpm at 1 51 times and ω = 3000 rpm 1.45 times with respect to η e of the base engine.
Применение турбодетандера вместо дроссельной заслонки для регенерации воды из продуктов сгорания при высоких температурах наружного воздуха не только уменьшает эффективную мощность комбинированного двигателя, но и увеличивает его (кривая 4 фиг.17). Увеличение эффективной мощности при ω=5000 об/мин составило 49,2 кВт или 51,1% по отношению к Ne базового двигателя при tВОЗ=40°С.The use of a turboexpander instead of a throttle valve for the regeneration of water from combustion products at high outdoor temperatures not only reduces the effective power of the combined engine, but also increases it (
Эффективный КПД у него тоже возрастает значительно (кривая 4 фиг.17), но получается меньше, чем у комбинированного двигателя, работающего при tВОЗ=20°С без увеличения давления в конденсаторе. Увеличение эффективного КПД по сравнению ηе базового двигателя получается при ω=5000 об/мин в 1,73 раза, а при ω=4000 об/мин и ω=3000 об/мин в 1,75 раза.Its effective efficiency also increases significantly (
Максимальная температура сгорания у него с этой комплектацией в диапазоне ω=2000-5000 об/мин получается предельно низкой, около 2200 К (кривая 4 фиг.17) при подаче воды в горючую смесь (кривая 4 фиг.19). Дальнейшее снижение TZ на этих режимах повлияет на снижение коэффициента использования теплоты в в.м.т. υZ. При ω=1000 об/мин эта температура еще больше снижается (кривая 4 на фиг.17) из-за уменьшения υZ в результате падения ω несмотря на уменьшение до 0,55.The maximum combustion temperature with this equipment in the range ω = 2000-5000 rpm is extremely low, about 2200 K (
Максимальное давление сгорания при наддуве двигателя турбодетандером становится предельно высокой во всем диапазоне ω, достигая при ω=4000 об/мин PZ=111,7·105 Па (фиг.18). Такое повышение PZ связано, в основном, с изменениями РK (кривая 4 на фиг.19) и коэффициента наполнения ηV в зависимости от ω.The maximum combustion pressure of the engine supercharging turbo expander becomes extremely high in the whole range ω, reaching at ω = 4000 rpm / min P Z = 111,7 · 10 5 Pa (18). This increase in P Z is mainly due to changes in P K (
Давление и температура наддувочного воздуха были определены по заданным ηT и ηK в зависимости от ω (кривая 4 на фиг.19) при постоянных РP=2,5·10-5 Па и tP=80°C.The pressure and temperature of the charge air were determined from the given η T and η K depending on ω (
Значение понижения максимальной температуры сгорания на единицу повышения максимального давления сгорания получились в диапазоне изменения ω=2000÷5000 об/мин гр/Па, которые расположились близко к нижней границе допустимых значений этого показателя.The value of lowering the maximum combustion temperature per unit of increase in the maximum combustion pressure was obtained in the range of change ω = 2000 ÷ 5000 rpm g / Pa, which are located close to the lower boundary of the permissible values of this indicator.
Среднее давление насосных ходов комбинированного двигателя с турбодетандером (кривая 4 на фиг.18) получилось в 1,25÷1,3 раза ниже, чем с дроссельной заслонкой (кривая 3) благодаря наддуву двигателя. Кривая 4 среднего индикаторного давления прошла выше всех кривых 1, 2 и 3 (фиг.18), в основном, благодаря подаче воздуха в цилиндры под давлением.The average pressure of the pumping strokes of the combined engine with a turboexpander (
По комбинированному двигателю с турбодетандером можно сделать следующее заключение, что он при высоких температурах наружного воздуха позволяет выделять воду из продуктов сгорания при меньшем снижении эффективного КПД, чем при применении дроссельной заслонки. При этом еще возрастает значительно его эффективная мощность во всем диапазоне внешней скоростной характеристики. При дефорсировании мощности у этого двигателя снижением частоты вращения коллекторного вала до уровня эффективной мощности комбинированного двигателя, работающего при tВОЗ=20°С (кривая 2 на фиг.17), их эффективные КПД почти сравниваются, при одинаковом Ne. При еще большем дефорсировании его мощности до уровня эффективной мощности базового двигателя, работающего при температуре наружного воздуха, равного 40°С, эффективный КПД у него на номинальном режиме может возрасти до 0,54.According to the combined engine with a turboexpander, the following conclusion can be drawn that, at high outdoor temperatures, it allows water to be released from the combustion products with a lower decrease in effective efficiency than when using a throttle valve. At the same time, its effective power still increases significantly in the entire range of external speed characteristics. When deforming the power of this engine by reducing the rotational speed of the collector shaft to the level of effective power of the combined engine operating at t WHO = 20 ° C (
Дизельные двигатели существенно отличаются от бензиновых в основном тем, что в этих двигателях происходит гетерогенное горение и самовоспламенение топлива. Они имеют более высокую степень сжатия по сравнению со степенями сжатия бензиновых двигателей, а следовательно, и более высокий КПД. Процесс сгорания у них протекает при более высоком коэффициенте избытка воздуха на номинальном режиме работы, причем с уменьшением нагрузки этот коэффициент еще больше увеличивается, что связано с качественным регулированием мощности. При высоких коэффициентах избытка воздуха получаются и более низкие температуры выпускных газов, что не позволяет получить в парогенераторе высокопотенциальный пар. Все эти признаки оказывают существенное влияние на реализацию в дизельных двигателях распыливания воды во впускном воздухе, а также получение высокопотенциального пара для совершения работы.Diesel engines differ significantly from gasoline engines mainly in that heterogeneous combustion and self-ignition of the fuel occurs in these engines. They have a higher compression ratio compared with the compression ratios of gasoline engines, and therefore, higher efficiency. The combustion process takes place with a higher coefficient of excess air in the nominal operating mode, and with a decrease in load, this coefficient increases even more, which is associated with high-quality power control. At high excess air ratios, lower exhaust gas temperatures are also obtained, which does not allow obtaining high potential steam in the steam generator. All these signs have a significant impact on the implementation in diesel engines of spraying water in the intake air, as well as obtaining high potential steam for the job.
При добавлении в них воды во впускной воздух происходит уменьшение температуры и давления конца сжатия, что приводит к увеличению периода задержки воспламенения, а следовательно, и жесткости работы двигателя. При этом надо впрыскивать столько воды в воздух и так его охлаждать в воздухоохладителе, чтобы Рс и Тс оказались приемлемыми для мягкой работы двигателя. В двигателях без наддува Рс и Тс сохраняются рециркуляцией продуктов сгорания.When water is added to the intake air, a decrease in the temperature and pressure of the end of compression occurs, which leads to an increase in the ignition delay period and, consequently, the rigidity of the engine. In this case, it is necessary to inject so much water into the air and so cool it in the air cooler so that P c and T c are acceptable for soft operation of the engine. In naturally aspirated engines, P c and T c are maintained by recirculation of the combustion products.
Низкая температура выпускных газов в этих двигателях не позволяет получить пар с высокой температурой даже на номинальном режиме работы, а на частичных нагрузках эта температура еще больше снижается, а следовательно, эффективность использования полученного пара и воды тоже уменьшается. Повышение температуры выпускных газов на номинальном режиме осуществлено за счет снижения α до 1,1, а поддержание этого α и сохранение высокой температуры продуктов сгорания на частичных нагрузках достигнуто благодаря количественному регулированию мощности. При этом надежное воспламенение топлива на этих нагрузках осуществлено рециркуляцией продуктов сгорания или уменьшением охлаждения надувочного воздуха.The low temperature of the exhaust gases in these engines does not allow steam with a high temperature to be obtained even at the nominal operating mode, and at partial loads this temperature is further reduced, and therefore, the efficiency of using the resulting steam and water is also reduced. An increase in the temperature of the exhaust gases in nominal mode was achieved by reducing α to 1.1, and maintaining this α and maintaining a high temperature of the combustion products at partial loads was achieved due to quantitative power control. In this case, reliable ignition of the fuel at these loads is carried out by recirculation of the combustion products or by reducing the cooling of the charge air.
При такой организации рабочего процесса в адиабатных дизельных двигателях тоже произойдет значительное увеличение их эффективных КПД и мощности не только из-за увеличения количества рабочего тела, совершающего работу, но и благодаря использованию высокопотенциального пара для совершения работы в конвертированном(ых) паровом(ых) или газовых цилиндрах.With such an organization of the working process in adiabatic diesel engines, there will also be a significant increase in their effective efficiency and power, not only due to an increase in the number of working fluid performing work, but also due to the use of high-potential steam to perform work in the converted steam (s) or gas cylinders.
Устройство комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом содержит поршневой двигатель внутреннего сгорания 1 (фиг.1) с теплоизолированными деталями камеры сгорания [головкой (крышками) цилиндров, поршнями и газовыми цилиндрами 2], которые соединены последовательно с котлом 3, совмещенным с теплоизолированным выпускным коллектором 4, конденсатором 5 и турбодетандером (турбиной) 6 посредством газопровода 7. Для впуска воздуха в эти цилиндры расположены последовательно компрессор 8, соединенный с турбодетандером (турбиной) 6; впускной коллектор 9, соединенный с компрессором 8 воздухопроводом 10. Для утилизации теплоты отработавших газов и масла этот двигатель, кроме котла 3, оснащен еще водораспределительным устройством горячей воды 11, поделенный перегородками 12 и 13 на верхнюю 14, среднюю 15 и нижнюю 16 части. В средней части 15 располагается водомасляный теплообменник 17. Регенерация воды из продуктов сгорания осуществляется конденсатором 5 совместно с водораспределительным устройством холодной воды 18, которые соединены водопроводом 19, с установленным на нем водяным насосом 20 и регулятором расхода 21. Для квазиизотермического сжатия воздуха компрессором 8 его охлаждение производится распыливанием холодной воды распылителем 22, соединенным с водораспределительным устройством холодной воды 18 трубопроводами 19 и 23, на последнем из которых установлен регулятор расхода этой воды 24. Конденсатор 5 соединен со средней 15 и нижней 16 частями водораспределительного устройства горячей воды 11 водопроводами 25, 26 и 27, на водопроводе 25 установлен водяной фильтр 28, а на водопроводе 27 регулятор расхода 29. Распылитель 33 конденсатора 5 подключен к водопроводу 19 через регулятор расхода 21. Котел 3 соединен с водораспределительным устройством горячей воды 11 водопроводом 30, на котором расположены питательный насос 31 и регулятор расхода 32. Электромагнитные форсунки 34 для подачи воды в цилиндры установлены в теплоизолированной(ых) головке (крышках)цилиндров 2 и подключены к котлу 3 теплоизолированными теплопроводами 35, 36 и 37. Сопловые отверстия форсунок в головке (крышках) цилиндров устанавливаются тангенциально или под острым углом к стенкам камеры сгорания для того, чтобы образующийся водяной пар на выходе из них в цилиндры завихрял горючую смесь. Для подачи топлива в двигатель 1 на патрубках впускного коллектора 9 установлены электромагнитные форсунки 38, соединенные с топливным насосом 39 через топливный фильтр 40 и регулятор расхода 41 топливопроводами 42 и 43. Теплоизолированные водораспределительные устройства горячей 11 и холодной 18 воды сообщаются между собой водопроводом 44 и содержат воздушный 45 и паровой 46 клапаны. В стационарном двигателе с целью поддержания уровня воды в водораспределительных устройствах одно из этих устройств подключено к водопроводной трубе 47, на котором установлен регулятор уровня воды 48 и запорное устройство 49. Сопловой направляющий аппарат 50 турбодетандера (турбины) 6 изменяет давление в конденсаторе 5 и давление надувочного воздуха компрессора 8. Пульт управления 51 служит для управления работой двигателя в ручном и автоматическом режимах, контролирует исправную работу двигателя и защищает его от повреждений.The device of a combined engine with a two-phase working fluid contains a reciprocating internal combustion engine 1 (Fig. 1) with heat-insulated parts of the combustion chamber [cylinder head (caps), pistons and gas cylinders 2], which are connected in series with the
Для подачи пара в теплоизолированные цилиндры 2 (фиг.2) вместо форсунок использованы паровые впускные клапаны 52 с завихрителями для улучшения смесеобразования в камере сгорания. Пар подается в эти клапаны из котла 3 по теплопроводам 35, 36 и 37, что и вода. Для регулирования количества подаваемого пара на водопроводе 30 расположен регулятор расхода 32, форсунки 38 для распыливания топлива установлены на впускных патрубках впускного коллектора 9. Для подачи в них топлива проложены топливопроводы 43 и 42, на последнем из которых расположены топливный насос 39, топливный фильтр 40 и регулятор расхода 41. На этой схеме отсутствуют турбодетандер (турбина) и компрессор с целью упрощения конструкции двигателя. Для изменения давления в конденсаторе 5 служит дроссельная заслонка 53, установленная на выпускном газопроводе 54. Воздух в теплоизолированные цилиндры 2 как газового и бензинового (с принудительным воспламенением), так и дизельного (с самовоспламенением) двигателей подается по впускному коллектору 9 через дроссельную заслонку 55, установленную на воздухопроводе 56, для изменения нагрузки двигателей при постоянном коэффициенте избытка воздуха.To supply steam to the thermally insulated cylinders 2 (FIG. 2),
Схема на фиг.3 отличается от предыдущих схем тем, что для превращения произведенного в котле 3 пара в работу один из нескольких теплоизолированных газовых цилиндров 2 конвертирован в паровой 57. На этой схеме котел 3 соединен с впускным паровым клапаном 58 паропроводом 59, а выпускной паровой клапан 60 этого цилиндра подключен к конденсатору 5 через обратный клапан 61 паропроводом 62. Котел 3 соединен с выпускными теплоизолированными газовыми цилиндрами 2 посредством патрубков выпускного коллектора 4, а с конденсатором 5 отводящим газопроводом 7, за которым располагается турбодетандер (турбина) 6, соединенный с компрессором 8. Этот компрессор подключен к впускному коллектору 9 воздухопроводом 10. Распылители 22 и 33 установлены для распыливания воды в воздухе и в продуктах сгорания, поступающих в компрессор 8 и в конденсатор 5 соответственно. Сопловой направляющий аппарат 50 перед турбодетандером (турбиной) 6 установлен для регулирования необходимого давления в конденсаторе 5, а следовательно, и температуры конденсата в зависимости от температуры наружного воздуха. Конденсатор 5 соединен с водораспределительным устройством горячей воды 11 водопроводами 25, 26 и 27. На водопроводе 25 установлен водяной фильтр 28, а на водопроводе 27 регулятор расхода 29. Для охлаждения конденсата в водораспределительном устройстве холодной воды 17 организован замкнутый циркуляционный контур, куда вошли водопроводы 63 и 64, водовоздушный радиатор 65 и водяной насос 66 с регулятором расхода 67. Этот радиатор охлаждается вентилятором 68. В систему подачи воды и пара включена теплоизолированная емкость 69 для слива воды из этой системы при ее замерзании, которая содержит электронагреватель 70, воздушный 71 и паровой 72 клапаны и заливную горловину с пробкой 73. Он соединен с водораспределительными устройствами горячей 11 и холодной 17 воды водопроводами 44 и 74, на последнем из которых установлено запорное устройство 75. Для заполнения системы водой установлен электронасос 76 на водопроводе 77. Теплоизолированная емкость 69 после слива воды из системы может отсоединяться и переноситься в теплое помещение. Перед подключением этой емкости к системе подачи воды и пара вода в ней может быть согрета электронагревателем 70 до температуры кипения от электросети.The diagram in FIG. 3 differs from the previous schemes in that for converting the steam produced in the
На схеме фиг.4 в отличие от схемы на фиг.1 показаны форсунки 77 во впускных патрубках коллектора 9 для распыливания холодной воды в воздухе, поступающем в газовые теплоизолированные цилиндры 2. Эти форсунки соединены трубопроводами 78, 79 и 80 с водораспределительным устройством холодной воды 17. На водопроводе 78 установлен водяной насос 20, а на водопроводе 79 - регулятор расхода воды 24. Для распыливания топлива в воздухе, поступающем в цилиндры через впускной коллектор 9, установлен карбюратор 81, который соединен с топливным насосом 39 топливопродом 82, на котором расположен топливный фильтр 40. На этой схеме отсутствуют турбодетандер (турбина) и компрессор, хотя они тоже могли быть подключены к двигателю и от этого мощность двигателя только возросла.In the diagram of Fig. 4, in contrast to the diagram in Fig. 1, nozzles 77 are shown in the inlet nozzles of the
На схеме фиг.5 для подачи топливоводяного раствора в воздух, поступающий в теплоизолированные цилиндры, установлен карбюратор 83, в котором происходит образование этого раствора. Для подачи топлива в этот карбюратор он подключен к топливопроводу 82, на котором установлены топливный насос 39, топливный фильтр 40 и регулятор расхода 41. Для подачи воды он подсоединен к водопроводам 78 и 79. На водопроводе 78 установлен насос 20, а на водопроводе 79 - регулятор расхода воды 24.In the diagram of Fig. 5, for supplying a fuel-water solution to the air entering the heat-insulated cylinders, a
Для подготовки топливоводяной смеси двигатель оснащен смесителем 84 (фиг.6), который подключен к топливному насосу 39 через топливный фильтр 40 топливопроводом 82, на котором осуществлен монтаж регулятора расхода топлива 41. Этот смеситель подсоединен еще к водораспределительному устройству холодной воды 17 водопроводами 78 и 79, причем на водопроводе 78 установлен водяной насос 20, а на водопроводе 79 - регулятор расхода воды 24. Для подачи топливоводяной смеси в форсунки 85 бензинового (с принудительным воспламенением) двигателя, расположенных в патрубках впускного коллектора 9, они подключены к смесителю 84 трубопроводом 86, на котором установлены насос 87 для подачи этой смеси и регулятор расхода 88. Для питания этой смесью дизельного (с самовоспламенением) двигателя форсунки 89 расположены в теплоизолированной(ых) головке (крышках) цилиндров и соединены со смесителем 84 трубопроводом 90, на котором установлен насос высокого давления 91 и регулятор расхода 92 с редукционным клапаном 93. Для управления работой двигателя он оснащен пультом управления 51.To prepare the fuel-water mixture, the engine is equipped with a mixer 84 (6), which is connected to the
Для двухкратной или многократной циркуляции питательной воды через котел при температуре продуктов сгорания за котлом выше 150°С создан замкнутый циркуляционный контур (фиг.7), в который входят питательный насос 31, котел 3, первый запорный клапан 94 и теплопроводы 95 и 96. При этом обратная подача воды в водораспределительное устройство горячей воды 11 исключается обратным клапаном 97, а подача пара в паровой цилиндр 57 прекращается вторым запорным клапаном 98, установленным на паропроводе 59. Отключенный паровой теплоизолированный цилиндр 57 сообщается с атмосферой через паровоздушный клапан 99 для уменьшения работы насосных ходов. Все эти клапаны 94, 98 и 99 связаны с логическим устройством 100, а логическое устройство соединено с пультом управления и датчиком температуры выпускных газов 101.For double or multiple circulation of feed water through the boiler at a temperature of combustion products behind the boiler above 150 ° C, a closed circulation circuit (Fig. 7) is created, which includes the
Для перемешивания воды в водораспределительных устройствах горячей и холодной воды они разрабатываются цилиндрической формы (фиг.8), а подача воды в них осуществляется через тангенциально расположенные трубы 102. Забирается эта вода из этих устройств через перфорированные трубы 103, расположенные вертикально по оси этих водораспределительных устройств, концы которых выходят наружу через верхние 104, нижние 105 или боковые 106 стенки.To mix the water in hot and cold water distribution devices, they are designed in a cylindrical shape (Fig. 8), and the water is supplied to them through tangentially arranged
Способ работы комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом осуществляют подачей воздуха компрессором 8 (фиг.1) в теплоизолированные газовые цилиндры 2 по воздухопроводу 10 и впускному коллектору 9. Сжатие воздуха в компрессоре 8 происходит почти без повышения его температуры благодаря распыливанию холодной воды распылителем 22 во впускном патрубке этого компрессора в количестве 0,5÷0,75 от цикловой подачи топлива с такими размерами капель, при которых эффективный КПД цикла становится наибольшим, а детонация не возникает. При этом значительно снижается максимальная температура цикла, что позволяет поднять степень сжатия и еще больше увеличить это КПД. Вода в распылитель 22 направляется насосом 20 по водопроводу 19 из водораспределительного устройства холодной воды 18, при этом количество подаваемой воды регулируется регулятором расхода 24, а размер капель определяется конструкцией распылителя 22. Эти капли при сжатии в компрессоре 8 и в теплоизолированных газовых цилиндрах 2 превращаются в теплоноситель с температурой, близкой к температуре кипения к концу сжатия, при подводе теплоты переходят в рабочее тело, существенно уменьшая температуру газов и устраняя детонацию, по мере расширения образовавшееся дополнительное количество рабочего тела совершает работу, увеличивая КПД двигателя при заметном снижении максимальной температуры сгорания. Благодаря чему не только не возникает детонация, но и существенно снижается теплонапряженность как бензинового (с принудительным воспламенением), так и дизельного (с самовоспламенением) двигателей.The method of operation of the combined engine with a two-phase working fluid is carried out by supplying air to the compressor 8 (Fig. 1) in heat-insulated
В бензиновых (с принудительным воспламенением) двигателях нет опасности, что из-за охлаждения воздуха водой могут возникнуть пропуски в зажигании смеси потому, что температура воспламенения бензиновоздушных смесей находится значительно ниже температуры этой смеси в момент зажигания. В дизельных (с самовоспламенением) двигателях такая опасность существует в момент пуска двигателя, а после выхода на режим и разогрева двигателя, она тоже отпадает, но двигатель начинает работать жестче, чем базовый из-за увеличения периода задержки воспламенения и повышения фактора динамичности цикла. Чтобы избежать этого негативного явления, возникающего при впрыске воды во всасываемый воздух, нужно еще больше увеличить степень сжатия этого двигателя и без того высокую. Другой выход - это подавать нагретую воду в котле 3 по водопроводам 35, 36 и 37 в форсунки 34, расположенные в тепло изолированно и головке (крышках) цилиндров в начале расширения, при этом давление впрыска превышает максимальное давление сгорания, а температура воды равняется температуре насыщенного пара при этом давлении и причем количество подаваемой воды регулируется регулятором расхода 32 по максимальному эффективному КПД дизеля. При такой подаче воды в форсунки происходит не только повышение этого КПД, но еще снижается максимальная температура сгорания, что позволяет существенно снизить теплонапряженность этого двигателя.In gasoline (forced ignition) engines, there is no danger that due to air cooling with water, misfire may occur in the mixture because the ignition temperature of gasoline-air mixtures is significantly lower than the temperature of this mixture at the time of ignition. In diesel (self-igniting) engines, such a danger exists at the time of starting the engine, and after entering the mode and warming up the engine, it also disappears, but the engine starts working harder than the base one due to an increase in the ignition delay period and an increase in the dynamic factor of the cycle. To avoid this negative phenomenon that occurs when water is injected into the intake air, it is necessary to further increase the compression ratio of this engine, which is already high. Another way is to supply heated water in the
Продукты сгорания из теплоизолированных газовых цилиндров 2 при открытии выпускных клапанов направляются в котел 3, совмещенный с теплоизолированным выпускным коллектором, где греют воду или генерируют пар. Затем продукты сгорания по газопроводу 7 поступают в конденсатор 5 для охлаждения до температуры конденсации водяных паров, которая зависит от давления в этом конденсаторе. Это давление регулируется изменением проходного сечения соплового направляющего аппарата турбодетандера (турбины) 50 для того, чтобы образовавшийся конденсат при этом давлении можно было охладить в водораспределительном устройстве холодной воды 17 благодаря его циркуляции через водовоздушный радиатор 65 (фиг.3) водяным насосом 66 и под действием вентилятора 68.The combustion products from the heat-insulated
Температура выпускных газов, поступающих из теплоизолированного выпускного коллектора в конденсатор, зависит от протекания рабочего процесса двигателя и в первую очередь от его коэффициента избытка воздуха в цилиндрах, количества теплоносителя, проходящего через котел, его температуры и давления, диаметра трубок и их теплопередающих поверхностей, а также скорости движения газов относительно тепловоспринимающих поверхностей котла. Задача сводится к тому, чтобы температура этих газов не превышала 150°С, а энтальпия образующегося пара или воды была наибольшей. Температура уходящих газов из этого коллектора измеряется термометром, а величина энтальпии определяется по измеренным давлению, температуре и расходу теплоносителя и рассчитывается по таблицам или эмпирическим формулам. При неизменных конструктивных размерах котла величина максимальной энтальпии теплоносителя регулируется регулятором расхода 32 (фиг.1) и изменением давления питательного насоса 31 с помощью его редукционного клапана. Чем меньше будет температура выпускных газов из котла, тем будут меньше потери теплоты с выпускными газами, а следовательно, размеры устройств, участвующих в конденсации водяных паров, а также охлаждении воды воздухом. Расчеты показали, что для транспортного двигателя эта температура не должна превышать 150°С, так как в этом случае удается сохранить конструкцию и размеры водовоздушного радиатора базового двигателя.The temperature of the exhaust gases coming from the heat-insulated exhaust manifold to the condenser depends on the engine working process and, first of all, on its coefficient of excess air in the cylinders, the amount of coolant passing through the boiler, its temperature and pressure, the diameter of the tubes and their heat transfer surfaces, and also the gas velocity relative to the heat-absorbing surfaces of the boiler. The task is to ensure that the temperature of these gases does not exceed 150 ° C, and the enthalpy of the generated steam or water is greatest. The temperature of the flue gases from this collector is measured by a thermometer, and the enthalpy is determined by the measured pressure, temperature and flow rate of the coolant and is calculated according to tables or empirical formulas. With the constant structural dimensions of the boiler, the maximum enthalpy of the coolant is regulated by the flow regulator 32 (Fig. 1) and by changing the pressure of the
В бензиновых (с принудительным воспламенением) и в дизельных (с самовоспламенением) двигателях необходимо сохранить на всех режимах работы такой низкий коэффициент избытка воздуха, чтобы иметь наиболее высокую температуру выпускных газов с целью получения высокопотенциального теплоносителя воды или пара. Для бензиновых (с принудительным воспламенением) этот коэффициент избытка воздуха должен быть α≅1,0÷1,2, а в дизельных (с самовоспламенением) α≥1,1. При других значениях α<1 и α>1,2 в бензиновых (с принудительным воспламенением) двигателях уменьшается коэффициент активного тепловыделения, а в дизельных (с самовоспламенением) при α<1,1 уменьшаться температура выпускных газов и затрачивается дополнительная работа на подачу воздуха в цилиндры. Коэффициент избытка воздуха в цилиндрах определяется на стадии создания опытного или промышленного образца путем измерения количества кислорода в продуктах сгорания, а также регулируется количеством подаваемого топлива в цилиндры регулятором расхода топлива 41.In gasoline (with forced ignition) and diesel (self-ignition) engines, it is necessary to maintain such a low coefficient of excess air in all operating modes in order to have the highest temperature of the exhaust gases in order to obtain a high-potential coolant for water or steam. For gasoline (with forced ignition), this coefficient of excess air should be α≅1.0 ÷ 1.2, and in diesel (with self-ignition) α≥1.1. For other values of α <1 and α> 1.2 in gasoline (with forced ignition) engines, the coefficient of active heat generation decreases, and in diesel (with self-ignition) at α <1.1, the temperature of the exhaust gases decreases and additional work is spent on supplying air to cylinders. The coefficient of excess air in the cylinders is determined at the stage of creating a prototype or industrial sample by measuring the amount of oxygen in the combustion products, and is also regulated by the amount of fuel supplied to the cylinders by the
В традиционных дизельных (с принудительным воспламенением) (с самовоспламенением) двигателях при переходе на частичные нагрузки быстро увеличивается коэффициент избытка воздуха из-за качественного регулирования его мощности, что приводит к значительному снижению температуры выпускных газов и существенному уменьшению как температуры воды в котле, так и пара, если он будет производиться. Для того чтобы эта система работала эффективно в дизельном (с самовоспламенением) двигателе и на частичных нагрузках, необходимо внедрить количественное регулирование мощности такое, как в бензиновом (с принудительным воспламенением) двигателе. Дроссельная заслонка 55 (фиг.2) при переходе на частичные нагрузки уменьшает количество поступающего воздуха в теплоизолированные цилиндры 2, а регулятор расхода топлива 41 совместно с форсунками 38 снижают количество поступающего топлива в теплоизолированные цилиндры 2, а коэффициент избытка воздуха больше 1,1 регулируется этими устройствами совместно в зависимости от качества сгорания топлива, по отсутствию содержания сажи в продуктах сгорания.In traditional diesel (with forced ignition) (self-ignition) engines, when switching to partial loads, the coefficient of excess air rapidly increases due to the quality control of its power, which leads to a significant decrease in the temperature of exhaust gases and a significant decrease in both the temperature of the water in the boiler and steam if it will be produced. In order for this system to work efficiently in a diesel (self-igniting) engine and at partial loads, it is necessary to introduce a quantitative power control such as in a gasoline (forced ignition) engine. The throttle valve 55 (figure 2) when switching to partial loads reduces the amount of incoming air into the
Конструкцию комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом можно упростить, если турбодетандер (турбину) заменить дроссельной заслонкой 53 (фиг.2), а компрессор исключить из конструкции. Воздух в цилиндры 2 подавать всасыванием через впускной коллектор 9. При этом давление в конденсаторе 5 можно будет регулировать изменением положения дроссельной заслонки 53 что приведет к заметному увеличению работы насосных ходов и понижению эффективного КПД в зависимости от степени прикрытия этой заслонки.The design of a combined engine with a two-phase working fluid can be simplified if the turboexpander (turbine) is replaced by a throttle valve 53 (Fig. 2), and the compressor is excluded from the design. Air is supplied to the
Подача пара в теплоизолированные цилиндры 2 производится через впускные паровые клапаны 52 (фиг.2) по паропроводам 35, 36 и 37 из котла 3. При этом давление пара в паропроводах обеспечивается питательным насосом 31, а количество подаваемого пара регулируется по максимальному эффективному КПД двигателя и поддерживается регулятором расхода 32.Steam is supplied to heat-insulated
Цилиндр традиционного поршневого двигателя с теплоизолированными головкой (крышками) цилиндров и газовыми цилиндрами конвертируется в паровой теплоизолированный цилиндр 57 (фиг.3) с впускными 58 и выпускными 60 паровыми клапанами. Пар подают в паровой цилиндр 57 через впускной паровой клапан 58 при его открытии в верхней (внутренней) мертвой точке, а закрывают его в момент допустимого снижения давления пара в котле, при котором эффективный КПД двигателя начинает снижаться. Открывают паровой выпускной клапан тогда, когда давление пара в паровом цилиндре еще превышает давление в конденсаторе, и пар начинает поступать по паропроводу 62 через обратный клапан 61 в конденсатор 5. Обратный клапан 61 предотвращает попадание газов из конденсатора 5 обратно в паровой цилиндр 57 при выпуске газов из других цилиндров.The cylinder of a traditional piston engine with heat-insulated cylinder head (s) and gas cylinders is converted into a steam heat-insulated cylinder 57 (Fig. 3) with inlet 58 and
Наиболее простой способ регулирования количества подаваемой питательной воды в котел 3 регулятором 32 - по требуемым температуре и давлению пара в котле или температуре выпускных газов за котлом, поступающих в конденсатор 5.The easiest way to control the amount of feed water to the
При работе комбинированного двигателя требуемый уровень воды 12 в водораспределительных устройствах горячей 11 и холодной 17 воды при работе на различных режимах работы поддерживается постоянным. Если этот уровень начинает уменьшается, то направляющим сопловым аппаратом 50 в турбодетандере (турбине) 5 увеличивают давление в конденсаторе 5 при неизменной температуре парогазовой смеси и тем самым увеличивают количество образующегося конденсата. Если уровень воды в этих водораспределительных устройствах начинает повышаться, то давление в конденсаторе уменьшают, чтобы не увеличивать насосные потери и не снижать эффективный КПД двигателя. В стационарных двигателях проходное сечение турбины (турбодетандера) не изменяют для того, чтобы не уменьшать эффективный КПД двигателя, а при уменьшении количества воды в пароводяной системе ее пополняют из водопровода автоматически с помощью регулятора расхода 48 (фиг.1).When the combined engine is operating, the required
Для охлаждения продуктов сгорания, поступающих в конденсатор 5 (фиг.3), требуется холодная вода. Поэтому образующийся конденсат охлаждается в водораспределительном устройстве холодной воды 17 путем ее циркуляции насосом 66 через водовоздушный радиатор 65, по водопроводам 63 и 64, на последнем из которых расположен регулятор расхода 67. Вентилятор 68 регулирует количество передаваемой теплоты наружному воздуху в зависимости от режима работы двигателя и температуры наружного воздуха. Регулятор расхода 67 и вентилятор 68 совместно обеспечивают такой коэффициент теплопередачи, при котором температура холодной воды оказывается достаточной для охлаждения продуктов сгорания в конденсаторе до температуры конденсации водяных паров, при которой не происходит убыль воды в пароводяной системе. При более низких температурах наружного воздуха потребляемые мощности насоса и вентилятора заметно снижаются, а эффективный КПД двигателя увеличивается.To cool the combustion products entering the condenser 5 (figure 3), cold water is required. Therefore, the condensate formed is cooled in the cold
При остановке двигателя и низкой температуре наружного воздуха возникает опасность замерзания воды в пароводяной системе. При снижении температуры воды близкой к температуре замерзания поступает сигнал с датчика температуры на пульт управления и двигатель запускается на прогрев вручную или автоматически. Другой вариант защиты пароводяной системы от замерзания - это слив воды из нее вручную или автоматически по команде с пульта управления 51 (фиг.3) в теплоизолированную емкость 69. Для этого открываются воздушные клапаны 45 в водораспределительных устройствах 11 и 17 и паровой клапан 72 в этой емкости, а также запорный клапан 75 с пульта управления. После слива воды теплоизолированная емкость 69 отсоединяется от двигателя и переносится в теплое помещение. В этом помещении вода в ней подогревается перед пуском электронагревателем 70 до температуры кипения. Затем она подключается к двигателю и система заправляется электронасосом 76 с пульта управления при закрытом запорном клапане 75, а этот насос отключается. При этом исключается не только замерзание пароводяной системы, но еще и прогревается холодный двигатель перед пуском, что увеличивает пробег транспортного средства более чем на 100 км по сравнению с пуском холодного двигателя.When the engine stops and the outside temperature is low, there is a danger of freezing of water in the steam-water system. When the water temperature drops close to the freezing temperature, a signal is sent from the temperature sensor to the control panel and the engine starts to warm up manually or automatically. Another option to protect the steam-water system from freezing is to drain the water from it manually or automatically by command from the control panel 51 (Fig. 3) into a heat-insulated container 69. For this,
Как в бензиновых (с принудительным воспламенением), так и в дизельных (с самовоспламенением) двигателях кратковременное увеличение мощности осуществляется увеличением количества горючей смеси или воздуха, поступающих в цилиндры. В этих двигателях такое увеличение мощности достигается при неизменном коэффициенте избытка воздуха α в бензиновых (с принудительным воспламенением) двигателях α≥1,0, а в дизельных (с самовоспламенением) α>1,1 путем резкого увеличения давления надувочного воздуха компрессором 8 (фиг.1) благодаря увеличению давления газов перед турбодетандером (турбиной) в результате уменьшения проходного сечения соплового направляющего аппарата 50. При этом количество вредных выбросов в продуктах сгорания не увеличивается, эффективный КПД возрастает благодаря увеличению механического КПД, а полное сгорание топлива сохраняется.Both in gasoline (with forced ignition) and diesel (with self-ignition) engines, a short-term increase in power is carried out by increasing the amount of combustible mixture or air entering the cylinders. In these engines, such an increase in power is achieved with a constant coefficient of excess air α in gasoline (with positive ignition) engines α≥1.0, and in diesel (with self-ignition) α> 1.1 by a sharp increase in the pressure of the charge air by compressor 8 (Fig. 1) due to the increase in gas pressure in front of the turboexpander (turbine) as a result of a decrease in the orifice of the
Подача топлива и воды в цилиндры с электронной системой управления подачей топлива усложняет конструкцию двигателя. Поэтому целесообразно топливо во впускном воздухе распиливать карбюратором 81 (фиг.4), а воду распиливать в воздухе во впускных патрубках форсунками 77 и подавать ее насосом 20 по водопроводам 78, 79 и 80, при этом количество подаваемой воды форсунками 77 регулировать регулятором расхода 24. Конструкции распыливателей этих форсунок обеспечивают такое распыливание воды в воздухе, при котором образующиеся капли во время сжатия становятся теплоносителями и к концу сжатия нагреваются до температуры кипения, при подводе теплоты они превращаются в рабочее тело, а в период расширения возросшее количество рабочего тела совершает дополнительную работу. При этом температура газов, по проведенным авторами исследованиям, существенно снижается несмотря на протекание рабочего процесса в теплоизолированном пространстве камеры сгорания, что позволяет поднять степень сжатия двигателя и тем самым увеличить еще больше его эффективный КПД. Если распыливать воду форсунками 77 в каждом впускном патрубке, то регулированием количества подаваемой воды можно подавлять детонацию. Проведенные авторами исследования показали, что изменение оптимального количества подаваемой воды оказывает слабое влияние на уменьшение эффективного КПД двигателя, но зато значительно может уменьшать требования к октановому числу топлива. В результате чего вместо традиционной системы изменения угла опережения зажигания для подавления детонации используется система впрыска воды форсунками во впускные патрубки или теплоизолированные газовые цилиндры 2, что повышает топливную экономичность двигателя на эксплуатационных режимах.The supply of fuel and water to the cylinders with an electronic fuel management system complicates the design of the engine. Therefore, it is advisable to saw the fuel in the intake air with a carburetor 81 (Fig. 4), and saw the water in the air in the intake pipes with the nozzles 77 and pump it through the
Конструкцию двигателя можно упростить, если подавать совместно топливо и воду, предварительно перемешав их. Для перемешивания этих двух жидкостей может быть использован карбюратор базового двигателя или изготовлен специальный смеситель. На фиг.5 топливо подается по топливопроводу 82 топливным насосом 39 через топливный фильтр 40 в карбюратор 83. Количество подаваемого топлива регулируется регулятором расхода 41. Вода в карбюратор 83 качается насосом 20 по водопроводам 78 и 79. Количество подаваемой воды регулируется регулятором расхода 24 и составляет 0,5÷0,75 от цикловой подачи топлива. Для устранения детонации двигателя регулированием количества распыливаемой воды цикловая подача воды на некоторых режимах в зависимости от условий окружающей среды может увеличиться до 1,25 от цикловой подачи топлива, при этом коэффициенты использования теплоты в в.м.т. υz и в конце расширения υb не уменьшаются. Качество распыливания (средний размер капель) определяется экспериментально на опытном или промышленном образце по наиболее высокому эффективному КПД при изменении диаметров диффузора и распылителя карбюратора. Перемешивание воды и топлива в поплавковой камере осуществляется любым из известных способов.The design of the engine can be simplified by supplying fuel and water together, after mixing them. To mix these two liquids, the carburetor of the base engine can be used or a special mixer can be made. In Fig. 5, fuel is supplied through the
На схеме (фиг.6) перемешивание топлива и воды производится в цилиндрическом смесителе 84 путем тангенциального подвода топлива по топливопроводу 82 насосом 39 через топливный фильтр 40. Количество подаваемого топлива регулируется регулятором расхода 41. Вода подводится в этот смеситель тоже тангенциально по водопроводам 78 и 79 насосом 20. Количество подаваемой воды регулируется регулятором 24 и составляет 0,5÷0,75 от цикловой подачи топлива на обычных режимах работы, а при устранении детонации она может достигнуть 1,25 от цикловой подачи топлива. Из смесителя 84 топливоводяная смесь подается насосом 87 по трубопроводу 86 в форсунки 85, расположенные на впускных патрубках коллектора 9 бензинового (с принудительным воспламенением) двигателя. В дизельном (с самовоспламенением) двигателе эта смесь подается в форсунки 89, расположенные в теплоизолированной(ых) головке (крышках) цилиндра по трубопроводу 90 насосом 92. При этом количество подаваемой смеси регулируется форсунками 85 и регулятором расхода 88 в бензиновом (с принудительным воспламенением) двигателе, а в дизельном (с самовоспламенением) двигателе форсунками 89 и регулятором расхода 92.In the diagram (Fig. 6), the mixing of fuel and water is carried out in a cylindrical mixer 84 by tangential supply of fuel through the
При снижении температуры выпускных газов за котлом ниже 150°С, когда энтальпия пара сильно снижается, включается циркуляционный контур воды и пара через котел 3 (фиг.7) под действием насоса 31 по трубопроводам 95 и 96. В этот момент поступает сигнал с датчика температуры на пульт управления, а оттуда на логическое устройство 100, которое подает команду на открытие первого запорного клапана 94 и закрытие второго запорного клапана 98. При этом обратный клапан 97 и второй запорный клапан 98 закрываются. Прекращается подача пара в паровой теплоизолированный цилиндр 57, а пар начинает циркулировать через котел и открытый первый запорный клапан 94 по трубопроводам 95 и 96 до тех пор, пока температура выпускных газов не поднимется выше 150°С. В этот период открытый паровоздушный клапан 99 по команде с логического устройства 100 сообщает паровой теплоизолированный цилиндр 57 с атмосферой и тем самым уменьшает работу насосных ходов парового цилиндра до нуля. После прогрева пара до необходимой температуры и повышении температуры выпускных газов за парогенератором выше 150°С сразу закрываются паровоздушный клапан 99 и первый запорный клапан 94, открываются обратный клапан 97 и второй запорный клапан 98. Высокопотенциальный пар из котла 3 начинает поступать по паропроводу 59 в паровой теплоизолированный цилиндр 57 и производить там работу.When the temperature of the exhaust gases behind the boiler drops below 150 ° C, when the enthalpy of steam is greatly reduced, the water and steam circuits are turned on through the boiler 3 (Fig. 7) under the action of the
Для перемешивания теплоносителей с различной температурой в применяемых устройствах цилиндрической формы комбинированного двигателя, а также повышения коэффициента теплопередачи от масла воде через стенки водомасляного теплообменника в водораспределительном устройстве горячей воды произведены тангенциальные подводы теплоносителей по трубам 102 к этим устройствам (фиг.8), а чтобы забирать перемешанный теплоноситель из этих устройств, его необходимо отводить по перфорированным цилиндрическим трубопроводам 103, расположенным в центре этого устройства. Конец этого трубопровода можно выводить через нижнюю 105, верхнюю 104 или боковые 106 стенки этих емкостей.To mix heat carriers with different temperatures in the used cylindrical devices of the combined engine, as well as to increase the heat transfer coefficient from oil to water through the walls of the oil-water heat exchanger in the water distribution device for hot water, tangential coolants were supplied through
Конструкция и способ увеличения срабатываемого теплоперепада на рабочем колесе турбодетандера изложены в 1 и 2 (см. ниже).The design and method of increasing the triggered heat drop on the impeller of the turboexpander are described in 1 and 2 (see below).
Возникающая детонация подавляется аналогично как в выпускаемых транспортных бензиновых двигателях ОАО «ЗМЗ» (см. 3 на стр.69), только здесь производится изменение количества добавляемой воды в воздух вместо изменения угла опережения зажигания.The resulting detonation is suppressed in the same way as in the manufactured transport gasoline engines of OJSC “ZMZ” (see 3 on page 69), only here is the change in the amount of added water in the air instead of changing the ignition timing.
Подача воды в котел реализуется так же, как подача топлива в дизельных двигателях и воды в теплогенерирующих установках (см. 4 и 5 на стр.69).The water supply to the boiler is implemented in the same way as the fuel supply in diesel engines and water in heat generating units (see 4 and 5 on page 69).
Количество подаваемого пара в газовые цилиндры определяется при проведении экспериментов на промышленном или опытном образце с различными степенями сжатия и количествами подаваемого пара. Рациональные или наивыгоднейшие их значения на различных режимах работы определяют по отсутствию детонации и наибольшему эффективному КПД, который сравнивается с эффективным КПД базового двигателя.The amount of steam supplied to the gas cylinders is determined by conducting experiments on an industrial or experimental sample with various degrees of compression and quantities of steam supplied. Their rational or most advantageous values at various operating modes are determined by the absence of detonation and the highest effective efficiency, which is compared with the effective efficiency of the base engine.
Конструкции запорнорегулирующих устройств для спуска воды из двухфазной системы подачи воды и пара могут быть спроектированы аналогичными как в 3 и 5 (см. на стр.69), где они применяются для слива топлива, масла, охлаждающей жидкости, теплоносителя, конденсата и т.д. в поршневых двигателях и теплоэнергетических установках.The designs of shut-off devices for draining water from a two-phase water and steam supply system can be designed similar to those in 3 and 5 (see page 69), where they are used to drain fuel, oil, coolant, coolant, condensate, etc. . in piston engines and thermal power plants.
Размеры распылителей форсунок и насоса при вычисленном среднем диаметре капель по формуле 38 и известной подаче насоса определяются аналогично как при создании системы топливоподачи для нового дизельного двигателя (см. ниже 4).The sizes of nozzles and pump nozzles with the calculated average droplet diameter according to
Размеры распылителя карбюратора и его диффузора при рассчитанном среднем диаметре капель по формуле 38 определяются аналогично как при создании карбюратора для бензинового двигателя (см. ниже 6).The dimensions of the carburetor atomizer and its diffuser with the calculated average droplet diameter according to
Размеры распылителей форсунок рассчитываются по среднему диаметру капель, определенному по формуле 38, а размеры насоса по известному количеству подаваемой воды или смеси воды и топлива (см. ниже 4).The sizes of nozzle nozzles are calculated by the average droplet diameter determined by
1. Степанец А.А. Энергосберегающие турбодетандерные установки. Недра, 1999.1. Stepanets A.A. Energy-saving turboexpander units. Nedra, 1999.
2. Давыдов А.Б., Кабулашвили А.Ш., Шерстюк А.Н. Расчет и конструирование турбодетандеров. - М.: Машиностроение, 1987.2. Davydov A.B., Kabulashvili A.Sh., Sherstyuk A.N. Calculation and design of turbo expanders. - M.: Mechanical Engineering, 1987.
3. Двигатели ЗМЗ-406 автомобилей ГАЗ и УАЗ. Конструктивные особенности. Диагностика. Техническое обслуживание. Ремонт / Гирявец А.К., Голубев П.А., Кузнецов Ю.М. и др. - Нижний Новгрод: НГУ им. Лобачевского, 2000.3. Engines ZMZ-406 GAZ and UAZ vehicles. Design features. Diagnostics. Maintenance. Repair / Giryavets A.K., Golubev P.A., Kuznetsov Yu.M. et al. - Nizhny Novgorod: NSU im. Lobachevsky, 2000.
4. Подача и распыливание топлива в дизелях. Астахов Н.В., Трусов В.И., Хачиян А.С. и др. - М.: Машиностроение, 1971.4. Supply and atomization of fuel in diesel engines. Astakhov N.V., Trusov V.I., Khachiyan A.S. et al. - M.: Mechanical Engineering, 1971.
5. Резников М.И., Липов Ю.М. Котельные установки электростанций. - М: Энергоатомиздат, 1987.5. Reznikov M.I., Lipov Yu.M. Boiler plants for power plants. - M: Energoatomizdat, 1987.
6. Автомобильные двигатели. Архангельский В.М., Вихерт М.М., Воинов А.Н. и др. - М.: Машиностроение, 1967.6. Car engines. Arkhangelsky V.M., Wikhert M.M., Voinov A.N. et al. - M.: Mechanical Engineering, 1967.
Преимущества разработанного способа работы и устройства комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом на базе поршневого двигателя внутреннего сгорания заключается в следующем: разработана конструкция и способ работы комбинированного двигателя не только на базе бензинового и газового (с принудительным воспламенением), но и на основе дизельного (с самовоспламенением) двигателей с двухфазным рабочим телом, эффективный КПД которого повышается до пределов, ограничиваемых первым и вторым законами термодинамики ≈0,6; упрощается конструкция этого двигателя благодаря распыливанию воды не только во впускном патрубке компрессора, а также ее подаче или подаче пара в камеры сгорания в период расширения в теплоизолированных газовых цилиндрах; снижается трудоемкость изготовления и стоимость двигателя в результате применения одной топливоводяной системы вместо двух систем подачи воды и топлива; этот двигатель может быть более простой конструкцией без компрессора и турбодетандера (турбины) только с меньшей эффективной мощностью, но зато с более высоким эффективным КПД, чем у базового двигателя, благодаря применению в выпускном газопроводе после конденсатора дроссельной заслонки; разработанный двигатель более надежный при его эксплуатации в условиях низких температур наружного воздуха, при которых возникает вероятность замерзания пароводяной смеси; кратковременное увеличение мощности (приемистости) не ниже, чем у базового бензинового (с принудительным воспламенением) двигателя при более высокой его экономичности и экологической безопасности.The advantages of the developed method of operation and the device of a combined engine with a two-phase working fluid based on a reciprocating internal combustion engine are as follows: the design and method of operation of the combined engine are developed not only on the basis of gasoline and gas (with positive ignition), but also on the basis of diesel (with self-ignition ) engines with a two-phase working fluid, the effective efficiency of which increases to the extent limited by the first and second laws of thermodynamics ≈0.6; the design of this engine is simplified due to the atomization of water not only in the inlet pipe of the compressor, but also in its supply or supply of steam to the combustion chambers during the expansion period in thermally insulated gas cylinders; the complexity of manufacturing and the cost of the engine are reduced as a result of using one fuel-water system instead of two water and fuel supply systems; this engine can be a simpler design without a compressor and a turboexpander (turbine) with only less effective power, but with a higher effective efficiency than the base engine, due to the use of a throttle valve in the exhaust gas pipeline after the condenser; the developed engine is more reliable during its operation in conditions of low outdoor temperatures, at which there is a possibility of freezing of the steam-water mixture; a short-term increase in power (throttle response) is not lower than that of a basic gasoline (with forced ignition) engine with its higher efficiency and environmental safety.
Claims (31)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009111735A RU2472023C2 (en) | 2009-03-30 | Operating method (versions) and arrangement of compound engine with two-phase working medium based on piston-type internal combustion engine (versions) | |
PCT/RU2010/000037 WO2010114416A1 (en) | 2009-03-30 | 2010-02-03 | Mode of operation and structural design of a combined engine with a two-phase working medium |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009111735A RU2472023C2 (en) | 2009-03-30 | Operating method (versions) and arrangement of compound engine with two-phase working medium based on piston-type internal combustion engine (versions) |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2009111735A RU2009111735A (en) | 2010-10-10 |
RU2472023C2 true RU2472023C2 (en) | 2013-01-10 |
Family
ID=
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU174008U1 (en) * | 2016-04-11 | 2017-09-25 | Евгений Валерьевич Жуков | GAS DIESEL POWER PLANT |
RU2639923C1 (en) * | 2017-01-27 | 2017-12-25 | Виктор Васильевич Попов | Method of mechanization control of gas turbine engine compressor |
RU2641423C2 (en) * | 2013-06-17 | 2018-01-17 | Форд Глобал Технолоджис, ЛЛК | Method of engine operation (versions) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2641423C2 (en) * | 2013-06-17 | 2018-01-17 | Форд Глобал Технолоджис, ЛЛК | Method of engine operation (versions) |
RU174008U1 (en) * | 2016-04-11 | 2017-09-25 | Евгений Валерьевич Жуков | GAS DIESEL POWER PLANT |
RU2639923C1 (en) * | 2017-01-27 | 2017-12-25 | Виктор Васильевич Попов | Method of mechanization control of gas turbine engine compressor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5937799A (en) | Cylinder water injection engine | |
US8151553B1 (en) | Operating internal-combustion engine without discharging gas into environment | |
CN103422999A (en) | Direct injection gas engine and method | |
CN101876286B (en) | Engine fuel boil off management system | |
CN110662894B (en) | Split-cycle internal combustion engine | |
CN102652239A (en) | Hybrid pumper | |
CN101403350A (en) | Internal combustion directly-heating steam engine | |
RU2370658C2 (en) | Method to operate combined engine with two phase working medium | |
CN101769196B (en) | Steam internal-combustion engine | |
CN102865172A (en) | Fuel spraying system for utilizing heat pipe technology to extract heat vaporized diesel oil from exhaust gas | |
CN103266950A (en) | Oil water fuel composite exhaust gas powered two-stroke engine | |
RU2472023C2 (en) | Operating method (versions) and arrangement of compound engine with two-phase working medium based on piston-type internal combustion engine (versions) | |
US9297337B2 (en) | Internal combustion and waste heat steam engine having a heat recovery steam generator exhaust manifold | |
KR101246902B1 (en) | Engine system using brown gas, ship comprising the same and engine operating method using brown gas | |
CN106988943A (en) | A kind of high-pressure co-rail diesel machine and its design method | |
EP1722092B1 (en) | Combined-cycle ignition engine based on supplying carbon dioxide to the combustion gases | |
WO2010114416A1 (en) | Mode of operation and structural design of a combined engine with a two-phase working medium | |
CN202851218U (en) | Fuel injection system using heat pipe technology to take heat from exhaust gas for diesel evaporation | |
RU2549745C2 (en) | Operation of two-stroke ice running on hydrogen and with application of exhaust power in pulsating pipe | |
RU78527U1 (en) | PISTON ENGINE | |
WO2015081388A1 (en) | System and method for improving combustion efficiency | |
KR101414161B1 (en) | Method for braking an internal combustion engine | |
GB2110305A (en) | Apparatus for vaporising a liquid by hot compressed gas to produce power | |
CN207018096U (en) | Fuel delivery system for engine | |
RU176215U1 (en) | SECONDARY VEHICLE CIRCUIT OF ICE VEHICLE |