SU1548492A1

SU1548492A1 - Двигатель внутреннего сгорани

Info

Publication number: SU1548492A1
Application number: SU874331258A
Authority: SU
Inventors: Валентин Петрович Коротков
Original assignee: В.П.Коротков
Priority date: 1987-11-18
Filing date: 1987-11-18
Publication date: 1990-03-07

Abstract

Устройство относитс к машиностроению и предназначено дл повышени удельной мощности путем использовани кинетической энергии, улучшени теплопередачи и повышени энергии пара. Двигатель содержит цилиндр, полый поршень 2, шток 3, коленчатый вал, систему охлаждени поршн 2 с форсункой 5 подачи мелкодисперсного теплоносител в полость 6 охлаждени поршн 2, по меньшей мере одну пару реактивных сопел 10, термоэлектрическую батарею (ТБ) 13 и турбоэлектрогенератор (ТЭ) 14 вдустороннего действи . При работе двигател кинетическа энерги утилизируетс в ТЭ 14, прикрепленном к штоку 3 поршн 2 и частично заполненном жидкостью, котора при перемещении штока вращает рабочее колесо турбины, передающей вращение на электрогенератор. Вырабатываемый ТЭ 14 электрический ток подаетс в ТБ 13, в которой с помощью гор чих и холодных спаев осуществл етс преобразование тепловой и электрической энергии и улучшаютс процессы теплопередачи и утилизации теплоты сгорани топлива в рабочей полости. 8 ил.

Description

Изобретение относитс к машино - строению, а именно двигателестрое- нию, может быть использовано дл утилизации тепловой и кинетической энергии двигател внутреннего сгорани и вл етс усовершенствованием изобретени по авт.св. № 1449690.

Цель изобретени - повышение - удельной мощности двигател путем использовани кинетической энергии, улучшени теплопередачи и повышени энергии пара,

На фиг.1 приведен двигатель,общий вид; на фиг. 2 - реактивные сопла и турбоэлектрогенератор; на фиг.З - то же, продольный разрез; на фиг.4 - реактивные сопла; на фиг.З - Турбо- электрогенератор; на фиг. 6 - раз- вертка рабочего колеса и направл ющих аппаратов турбоэлектрогенерато- ра; на фиг 7 - термодинамический цикл двигател ; на фиг.8 - термоэлектрическа батаре .

Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр 1, полый поршень 2, шток 3, коленчатый вал 4, систему охлаждени поршн 2 с форсункой 5 подачи мелкодисперсного теплоносител в полость 6 охлаждени поршн 2, магистралью 7 отвода пара из полости 6 в конденсатор 8 и насосом 9 подачи теплоносител , одну пару реактивных сопел 10 с входными патрубками 11 и выходными соплами 12, термоэлектрическую батарею 13 и Турбо- электрогенератор 14 двустороннего действи . Цилиндр 1 двигател установлен на картере 15 и отделен от него перегородкой. Полый поршень 2 размещен в цилиндре 1 с образованием рабочей и подпоршневой полостей 16 и 17. Шток 3 св зан с поршнем 2, а коленчатый вал 4 подсоединен через шатун 18 и крейцкопф 19 к штоку 3. Насос 9 подачи теплоносител подсоединен впускным каналом 20 к конденсатору 8 и св зан через напорный трубопровод 21 и телескопический элемент 22 с форсункой 5 подачи мелкодисперсного распылител „

Реактивные сопла 10 выполнены в виде участка магистрали 7 отвода пара , прикреплены к штоку 3 в подпоршневой полости 17 параллельно его оси и их выходные диффузоры 23 направлены в противоположные стороны, входные патрубки 11 объединены в общий корпус 24, в котором установле

0

5

0

5

0

5

0

5

ны инерционные золотники 25 дл поочередного соединени с магистралью 7 отвода пара, а конденсатор 8 размещен в подпоршневой полости 17. Входной патрубок 11 каждого сопла 10 выполнен с полым центральным стержнем 26, снабженным боковым отверстием 27 и упорами 28, а инерционные золотники 25 выполнены в виде подвижной шайбы, размещенной между упорами 28 на полом центральном стержне 26 с возможностью перекрыти бокового отверсти 27 при своем перемещении.

Термоэлектрическа батаре 13 прикреплена холодными спа ми 29 к днищу 30 поршн 2 в его полости 6 охлаждени и св зана через электрическую цепь с турбоэлектрогенератором 14, причем последний размещен в замкнутом корпусе 31, частично заполненном рабочей жидкостью и прикрепленном к штоку 3 в подпоршневой полости 17 параллельно оси штока 3, и выполнен в виде двусторонней турбины 32 и электрогенератора 33,кинематически св занного с рабочим колесом 34 турбины 32, направл ющий аппарат которой выполнен в виде двух р дов лопаток 35 и 36, расположенных с двух сторон рабочего колеса 34. Гор чие спаи 37 термоэлектрической батареи 13 св заны с холодными спа ми 29 через полупроводниковые элементы 38 и 39. В качестве термоэлектрической батареи 13 могут быть использованы существующие термоэлектрические модули, плотность теплового потока которых может достигать 3,5 Вт/см , а рабоча температура 1000-1200 К0 Эти модули работоспособны при вибраци х в диапазоне частот 5-1000 Гц при ускорении до 10g, ударах с ускорением до 50g, усили х прижима до 10-15 кгс/смг, акустических шумах в диапазоне частот 20-10000 Гц с интенсивностью звуковых колебаний свыше 130 дБ, Важным параметром термоэлектрической батареи 39, определ ющим коэффициент преобразоЬани теплового насоса, вл етс добротность полупроводниковых материалов, из которых изготовлены полупроводниковые элементы 40 и 41 . В насто щее врем добротность может достигать 1 10 К ,

Двигатель работает следующим образом .

Преобразование теплоты сгорани топлива в механическую работу осуществл етс в результате совершени в двигателе комбинированного термодинамического цикла, состо щего из .рабочего цикла а-Ъ-c-d-a (фиг.7) дизел , теп онасосного цикла e-f-g-h-e и паросилового цикла i-k-1-m-n-o-i. При этом рабочий цикл a-b-c-d-a осуществл етс в рабочей полости 16,теп лонасосный цикл e-f-g-h-e - в термоэлектрической батарее 13, а паросиловой цикл i-k-1-m-n-o-i - в подпорш- невой полости 17,

Рабочий цикл а-Ъ-c-d-a состоит из следующих процессов: процесса а-Ъ, вл ющегос процессом сжати ; процесса Ъ-с, вл ющегос процессом подвода теплоты, процесса c-d, вл ющегос процессом расширени , и процесса d-a вл ющегос процессом отвода теплоты . Результатом этого цикла вл етс трансформаци теплоты сгорани топлива в механическую работу: в процессе c-d расширени сила давлени газов в рабочей полости I6 передаетс на поршень 2, а затем через шток 3, крейцкопф I9 и шатун 18 на коленчатый вал 4. Другим результатом рабочего цикла a-b-c-d-a вл етс отбросна теплота, котора частично утилизируетс в паросиловом цикле i-K-1- m-n-o-i;

Отбросна теплота рабочего цикла a-b-c-d-a частично передаетс через днище 30 поршн 2 дл утилизации,При этом обеспечиваетс интенсификаци теплопередачи и снижение необратимых потерь теплопередачи за счет осуществлени термоэлектрической батареей 13 тегшонасосного цикла e-f-g-h-e, коэффициент преобразовани которого пропорционален плотности передаваемого из рабочей полости 16 теплового потока.

Теплонасосный цикл e-f-g-h-e состоит из следующих процессов: процесса e-f, соответствующего протеканию некоторого количества электричества по холодному спаю 29{ процесса f-g, характеризуемого изменением количества электричества, которое происходит в результате движени тока через полупроводниковый элемент 39 с р-про- водимостью от холодного спа 29 к гор чему спаю 37; процесса g-h,соответствующего протеканию некоторого количества электричества по гор че- му спаю 37} процесса h-e, характери0

5

0

5

0

5

0

5

0

чуемого изменением количества электричества , которое происходит в результате движени тока через полупроводниковый элемент 38 с п-проводи- мостью от гор чего спа 37 к холодному спаю 29.

Возвратно-поступательное перемещение штока 3 и жестко св занного с ним корпуса 31 преобразуетс в непрерывное вращение электрогенератора 33 за счет взаимодействи волнообразно пульсирующей в корпусе 31 рабочей среды с лопатками рабочего колеса 34 турбины 32 и двух р дов лопаток 35 и 36 направл ющих аппаратов турбо- электрогенератора 14, Вырабатываемый турбоэлектрогенератором 14 электрический ток, пропорциональный частоте движени поршн 2, подаетс в термоэлектрическую батарею 13, Пол рность подключени термоэлектрической батареи 13 такова, что по холодному спаю 29 электрический ток течет от полупроводникового элемента 38 с п-про- водимостью к полупроводниковому элементу 39 с р-прсводимостью, а по гор чему спаю 37 электрический ток течет от полупроводникового элемента 39 с р-проводимостью к полупроводниковому элементу 38 с п-проводи- мостью. Вследствие эффекта Пельтье дополнительно поглощаетс теплота в гор чих спа х 37 и дополнительно выдел етс теплота в холодных спа х 29.

Температура тх холодных спаев 29 ниже температуры рабочей среды в рабочей полости 6 и тепловой поток, отводимый от рабочей среды, увеличиваетс вследствие возрастани температурного напора между рабочей средой и днищем 30 поршн 2.

Температура тг гор чих спаев 37 выше температуры рабочей среды в полости 6 охлаждени поршн 2 и тепловой поток, подводимый к мелкодисперсному теплоносителю, подаваемому форсункой 5 на гор чие спаи 37,увеличиваетс вследствие возрастани температурного напора между днищем 30 поршн 2 и теплоносителем. При этом теплоносителю в полости 6 охлаждени передаетс не только теплота, отводима от рабочей среды в рабочей полости 16, но и теплота, эквивалентна работе, совершаемой электрическим током в термоэлектрической батарее 13.

Теплопереход в самой термоэлектрической батарее 13 обеспечиваетс как обычным путем теплопроводности, так и переносом, теплоты носител ми электрического тока полупроводниковых элементов 38 и 39.

Паросиловой цикл i-k-1-tn-n-o-i состоит из следующих процессов: процесса i-k-1-m, вл ющегос процессом подвода теплоты термоэлектрической батареей 13; процесса m-n, вл ющегос процессом расширени пара в реактивных соплах 10; процесса п-о, вл ющегос процессом отвода теплоты в конденсаторе 8, и процесса o-i, вл ющегос процессом сжати теплоносител в насосе 9. Результатом этого цикла вл етс трансформаци отбросной теплоты в механическую работу, происход ща следующим образом

С помощью насоса 9 через его напорный трубопровод 21 и телескопический элемент 22 жидкий теплоноситель подаетс в форсунку 5, котора обеспечивает подачу теплоносител в виде мелкодисперсной жидкой фазы в полость 6 охлаждени на гор чие спаи - 37 термоэлектрической батареи 13. В полсгсти 6 мелкие капли теплоносител нагреваютс и испар ютс . Перегретый пар из полости 6 через магистраль 7 в штоке 3 заполн ет общий корпус 24 входных патрубков 11 и реактивных сопел 10.

При движении поршн 2 вниз инерционный золотник 25 прижат к одному упору 28, а другой инерционный золотник 25 прижат к своему упору 28. При этом одни .боковые отверсти 27 открыты, а другие боковые отверсти 27 закрыты. Перегретый пар поступает в реактивное сопло 0, где, расшир сь , совершает механическую работу При этом сила т ги реактивного сопла 10 направлена в сторону движени поршн 2 и на коленчатом валу 4 создаетс дополнительный вращающий момент. При движении поршн 2 вверх все происходит наоборот, , При увеличении подвода теплоты из рабочей полости 16 вследствие увеличени цикловой подачи топлива обороты коленчатого вала 4 увеличиваютс , соответственно возрастает электрический ток электрогенератора 33, Повыша ютс температурные напоры, обеспечи- ваемые работой термоэлектрической

батареи 13, увеличиваетс плотность теплового потока, передаваемого через днище 30 поршн 2 во внутреннюю полость 6 охлаждени , и полезна работа паросилового цикла i-k-1-m-n-o-i возрастает ,

Возможны различные соотношени температур рабочей среды в рабочей

полости 16 и теплоносител во внутренней полости 6. Температура Тг го р чих спаев 37 может быть как ниже, так и выше температуры рабочей среды в рабочей полости 16. Одновременно

5 температура Т холодных спаев 29 может быть как ниже, так и выше температуры теплоносител во внутренней полости 6 охлаждени .

Эффективность работы термоэлектQ рической батареи 13 оцениваетс отношением теплоты, подводимой к теплоносителю в полости 6, к затраченной работе электрического тока,вырабатываемого электрогенератором 33, и при

5 высокой добротности термоэлектрической батареи 13 и не слишком большой разности температур гор чих и холодных спаев 37 и 29 это отношение (отопительный коэффициент) может дости0 гать 10-12%. Это означает, что затрачиваема дл интенсификации теплопередачи через днище 30 поршн 2 электроэнерги составл ет всего 8 - 10% от передаваемой теплоты, причем значительна часть электроэнергии возобновл етс за счет преобразовани теплоты в механическую работу

реактивными соплами 10.

т

п Возможна также эффективна теплопередача через днище 30 поршн 2, когда температура теплоносител полости 6 выше температуры в рабочей полости 16. Коэффициент преобразова5 ни термоэлектрической батареи .13 и в этом случае достаточно высок.Повышение температурных напоров в р де случаев одновременно увеличивает коэффициент теплоотдачи, что еще больQ me увеличивает плотность теплового потока через днище 30 поршн 2.

По сравнению с известными устройствами интенсивность теплопередачи из рабочей полости 16 в полость 6 охлаждени может быть увеличена в 5-6 раз. Однако удельную мощность двигател не следует повышать более чем в 2-3 раза ввиду увеличени доли невозобновл емых затрат электроэнер5

16

Фиг.2

5/

Фиг.Ь

Фиг. 6

Фиг.7

38 39 30

Фиг. 8

Claims

Формула изобретения Двигатель внутреннего сгорания по авт. св. № 1449690, о тличающийся тем, что, с целью повышения удельной мощности путём использования кинетической энергии, улучшения теплопередачи и повышения энергии пара, двигатель дополнительно снабжен термоэлектрической батареей и турбоэлектрогенератором двустороннего действия,термоэлектрическая батарея прикреплена холодными спаями к днищу поршня в ⁵ его полости охлаждения и связана через электрическую цепь с турбоэлектрогенератором, причем последний размещен в замкнутом корпусе, частично эд заполненном рабочей жидкостью и прикрепленном к штоку в подпоршнёвой полости параллельно оси штока, и выполнен в виде двусторонней турбины и электрогенератора, кинематически свяэд занного с рабочим колесом турбины, направляющий аппарат которой выполнен в виде двух рядов лопаток,расположенных с двух сторон рабочего колеса. .

4 фиг. 6

Фиг.7

Фиг. 8