Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Цель изобретения - снижение затраты мощности на сжатие свежего заряда. Сущность изобретения: сжатие производят изотермически путем впрыска во впускной патрубок компрессора или непосредственно в ступени сжатия распыленной воды, а топливо сжигают в образовавшейся парогазовой смеси. Сжатую парогазовую смесь дополнительно сжимают за счет ее подогрева в теплообменнике-термокомпрессоре теплом отработавших газов. Энергию отработавших газов утилизируют за счет их дополнительного расширения в турбокомпрессоре, в котором предварительно сжимают воздушный заряд с впрыском в него воды. Система подачи воды в заявленном техническом решении может быть выполнена замкнутой за счет установки в ней холодильника-конденсатора. 2 с. и 6 з. п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к двигателестроению.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания путем всасывания и изотермического сжатия воздуха в компрессоре, перепуска сжатого воздуха с одновременным его подогревом в поршневой расширитель, дополнительного адиабатического сжатия в последнем, сжигания топливного заряда, расширения продуктов сгорания для использования работы расширения и выпуска отработавших газов [1] Однако последующее после сжатия дополнительное сжатие именно в поршневом расширителе не позволяет достичь высокой экономичности работы двигателя, в частности из-за увеличения механических потерь в поршневом расширителе.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ работы двигателя путем всасывания и сжатия воздуха в компрессоре, перепуска сжатого воздуха в поршневой расширитель, сжигания топливного заряда, расширения продуктов сгорания для использования работы расширения и выпуска отработавших газов [2] Недостатком прототипа является его низкая экономичность из-за тепловых потерь на сжатие воздуха в поршневом компрессоре.

Целью изобретения является повышение технико-экономических и экологических показателей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, заключающемся во всасывании и сжатии в компрессоре воздуха, его перепуске в поршневой расширитель, сжигании топливного заряда, расширении продуктов сгорания для использования работы расширения и выпуска отработавших газов, сжатие производят изотермически путем отвода теплоты от сжимаемого воздуха на испарение до состояния насыщения впрыскиваемой в последний воды, а топливный заряд сжигают в образовавшейся паровоздушной смеси.

Цель может также достигаться тем, что паровоздушную смесь дополнительно сжимают путем последовательного нагрева в замкнутых объемах теплом отработавших газов в противотоке.

Цель достигается также тем, что отработавшие газы дополнительно расширяют и энергию их расширения используют для предварительного сжатия воздуха перед всасыванием.

Цель достигается также тем, что отработавшие газы охлаждают до конденсации, выпавший при этом конденсат фильтруют и подают в компрессор в качестве воды на испарение.

На фиг. 1 представлен двигатель внутреннего сгорания, в котором реализуется предложенный способ; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 вариант двигателя для реализации способа по п.2 формулы; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг.5 вариант двигателя для реализации способа по п.3 формулы; на фиг. 6 то же, для реализации способа по п.4 формулы; на фиг.7 теоретические диаграммы P-V-циклов известных двигателей с самовоспламенением заряда и принудительным его воспламенением; на фиг.8 то же, двигателей, в которых реализуется предложенный способ; на фиг.9 то же, двигателей, в которых реализуется способ по п.2 формулы.

Двигатель содержит компрессор 1, например многоступенчатый, установленный в магистрали 2 впуска сжатого заряда, снабженный впускным патрубком 3, поршневой расширитель 4, снабженный средствами 5 воспламенения и сжигания топливного заряда и связанный с магистралью 2 впуска и с магистралью 6 выпуска отработавших газов, и подогреватель 7 сжатого заряда теплом отработавших газов, установленный между компрессором 1 и расширителем 4, причем компрессор 1 выполнен лопаточным и снабжен устройством 8 впрыска и распыления воды, установленным во впускном патрубке 3 и в ступенях сжатия компрессора 1. Компрессор 1 может быть связан с валом расширителя 4 при помощи редуктора 9.

Для реализации способа работы по п.2 формулы изобретения подогреватель 7 может быть выполнен в виде противоточного поверхностного теплообменника-термокомпрессора, разделенного обратными клапанами 10 на изолированные секции 11.

Для реализации способа по п.3 формулы двигатель может быть снабжен турбокомпрессором 12, установленным перед впускным патрубком 3 компрессора 1.

Для реализации способа по п.4 формулы двигатель может быть снабжен холодильником-конденсатором 13 и подключенными к нему последовательно водосборником 14, фильтром 15 и насосом 16 высокого давления, причем насос 16 подсоединен к устройству 8 впрыска и распыления воды, а холодильник-конденсатор 13 установлен в магистрали 6 выпуска отработавших газов. Холодильник-конденсатор 13 может быть выполнен в виде радиатора 17 и осевого вентилятора 18, просасывающего через него воздух.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Атмосферный воздух засасывается многоступенчатым центробежным или осевым компрессором 1, например, связанным с поршневым расширителем 4 посредством редуктора 9, и сжимается. Во впускном патрубке 3 компрессора 1 с помощью устройства впрыска и распыления 8, например, прямоструйных или центробежных форсунок, а также между ступенями компрессора 1 впрыскивается с мелкодисперсным распылом вода (или другая жидкость с меньшей теплотой испарения), за счет чего сжатие осуществляется изотермически. Тонкий распыл обеспечивается высоким давлением (20-50 МПа) воды, создаваемым насосом 16 (фиг.6) и небольшим проходным сечением сопловых отверстий форсунок (0,1-0,8 мм).

Как известно, в изотермическом процессе сжатия при Т const достигается минимальное количество работы. Реальный процесс близок к политропному с показателем политропы сжатия n, изменяющимся в пределах n 1,32-1,39. Как показывает расчетный теоретический анализ, работа сжатия в политропном процессе с n 1,36 больше, чем в изотермическом на величину от 6% при конечном давлении сжатия Р_с 2 ˙10⁶ Па до 40% при Р_с8 ˙10⁶ Па. По расчетным данным для идеализированных теоретических циклов с изохорным и изобарным подводом тепла (при сгорании топлива в цилиндре) указанное превышение составляет долю от всей произведенной за полный цикл работы двигателя соответственно 8-17 и 6-16% в возможном диапазоне параметров. Для надежной и экономичной работы ступеней компрессора, работающего с влажным газом, эффективен многоразовый или непрерывный впрыск воды в ступенях при сохранении удельного расхода воды для сжатия неизменным.

В установке используется компрессор, в котором учтены условия работы с влажным газом. Расход воды на впрыск в поток воздуха в компрессоре 1 устанавливают с возможностью ее полного испарения, при этом состояние газа соответствует насыщенному с относительной влажностью ϕ 1 (однофазная парогазовая смесь).

Насыщенная парогазовая смесь направляется из компрессора 1 в магистраль 2 впуска, сообщающуюся непосредственно с впускными органами поршневого расширителя 4. В данном способе, в связи с низкой температурой воздушного заряда, возможна работа только с принудительным воспламенением, при этом наиболее рациональной представляется схема с использованием непосредственного впрыска бензина в расширитель 4 либо в магистраль 2 впуска, как наиболее надежная, универсальная и простая в конструктивном выполнении. В таком двигателе улучшается приемистость, снимается проблема создания надежной системы питания с карбюратором, при впрыске топлива снижаются требования к октановому числу, т.е. уменьшается склонность двигателя к детонации. В то же время использование турбонаддува в двигателях с искровым зажиганием связано с опасностью возникновения детонации и калильного зажигания, повышением октанового числа. Для предотвращения детонации применяют, в частности, впрыск воды. В описываемом способе эта проблема решается, так как двигатель работает на паровоздушной смеси, при этом сохраняются все достоинства работы двигателя с турбонаддувом и внутренним смесеобразованием.

Высокое давление подаваемого в расширитель 4 воздушного заряда в описываемом способе обеспечивает интенсивную турбулизацию рабочей смеси, завихрение, вращательное движение потоков в цилиндре расширителя 4 или камере сгорания все это улучшает смесеобразование, однородность смеси, полноту ее сгорания, т.е. в итоге использование топлива. В этом еще одно преимущество предлагаемого решения.

При подаче паровоздушной смеси в цилиндр поршневого расширителя 4 поршень последнего находится в районе верхней мертвой точки (ВМТ). Одновременно в паровоздушный поток впрыскивается топливо и включается искровое зажигание, топливный заряд воспламеняется от электрической искры, сгорает, расширяетcя при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) с передачей работы расширения потребителю. Следует при этом отметить, что работоспособность смеси пара, продуктов сгорания и воздуха выше, чем работоспособность отработавших газов, например, в прототипе. Затем при ходе поршня по инерции от НМТ к ВМТ происходит очистка цилиндра от продуктов сгорания, их вытеснение и удаление в магистраль 6 выпуска отработавших газов. Возможна также очистка цилиндра продувкой его сжатым воздухом аналогично способу очистки в двухтактном двигателе, при этом может быть предусмотрена дополнительная схема подачи сжатого воздуха от компрессора 1.

При подходе поршня в ВМТ после выпуска начинается следующий цикл работы двигателя. Таким образом, в отличие от cпоcобов работы извеcтных двигателей в предложенном отcутcтвует движение поршней раcширителя на тактах вcаcывания и cжатия за cчет их перемещения в компреccор c "влажным" cжатием.

Оcновное преимущеcтво заявленного cпоcоба по cравнению c аналогами выигрыш в энергии за cчет cнижения работы сжатия (сравниваются затраты энергии на работу сжатия влажного газа в компрессоре и воздушного заряда в цилиндре при равных значениях Р_с). Этот выигрыш тем больше, чем больше конечное давление сжатия Р_с и, следовательно, расход воды на испарение. На "влажное" сжатие затрачивается в 1,5-2 раза меньше мощности компрессора, чем при "сухом" сжатии, а коэффициент отдачи полезной мощности расширителя, например газовой турбины, увеличивается в 1,65-2 раза.

Для осуществления способа с подводом теплоты в расширителе 4 при постоянном объеме (с самовоспламенением заряда) сжатый в компрессоре 1 парогазовый заряд может быть подогрет в подогревателе 7 теплом отработавших газов, выпускаемых из цилиндра расширителя 4 по магистрали 6 выпуска. Указанный вариант способа может быть осуществлен в дизеле с любым выполнением камеры сгорания, а для подачи топлива в нее может быть применено пневматическое его распыление через топливную форсунку с использованием компрессора 1, Подогрев в указанном способе может быть осуществлен в противоточном поверхностном теплообменнике-термокомпрессоре, разделенном обратными клапанами 10 на изолированные секции 11. Нагрев воздуха в теплообменнике происходит при постоянном объеме с соответствующим повышением давления прямо пропорционально абсолютной температуре нагрева Т_н. Такой режим обеспечивается конструкцией теплообменника и условиями теплообмена. В каждой секции 11 заключена в герметичном объеме между обратными клапанами 10 порция сжатого в компрессоре 1 заряда. Эта порция должна превышать максимальную разовую подачу заряда в цилиндр расширителя 4.

При работе двигателя температура воздуха Т_г вдоль подогревателя 7 по секциям устанавливается в соответствии с температурой Т_г отработавших газов: значение Т_г убывает по ходу движения отработавших газов, например с 800 до 400 К, значение Т_н возрастает от первой до последней секции, например с 350 до 700 К.

Соответственно абсолютной температуре Т_н, а именно прямо пропорционально ей, устанавливается и абсолютное давление в каждой секции 11 (имеются в виду усредненные для секций значения Т_н и Р) в соответствии с уравнением состояния PV GRT, где Р и Т абсолютные значения давления (Па) и температура (К); G весовое количество и объем воздуха в секции, кг˙ м³; R универсальная газовая постоянная, Дж/кг˙ К.

При подходе поршня расширителя 4 к ВМТ в цилиндр из магистрали 2 впуска перетекает требуемая порция воздуха. Давление в магистрали 2 падает, становится меньше, чем в соседней (предыдущей) по ходу движения заряда секции 11, поэтому срабатывает обратный клапан 10 между ними и пропускает воздушный заряд в магистраль 2 до тех пор, пока давления в ней и секции не уравняются. Аналогичный процесс происходит последовательно по всем секциям 11. Таким образом обеспечивается автоматический переток заряда вдоль подогревателя 7 в процессе нагрева.

Повышение давления воздуха при нагреве в подогревателе 7 примерно в 2-3 раза за счет утилизации тепла отработавших газов снижает потребный уровень давления в компрессоре 1 и может снизить его работу по сжатию заряда.

Утилизировать энергию отработавших газов возможно также для привода турбокомпрессора 12 как первой ступени сжатия "влажного" газа. По ориентировочным расчетным данным для теоретического цикла значения давлений Р_r в конце расширения в цилиндре для возможных условий работы по известным и предлагаемому способам близки и находятся в пределах (0,2-0,9) МПа, что представляет существенный энергетический потенциал.

В общем случае отработавшие газы после подогревателя 7 или, если он отсутствует, сразу из магистрали 6 выпуска расширителя 4 направляют на вход турбокомпрессора 12 аналогично схемам с турбонаддувом в известных способах. На входе в турбокомпрессор 12 установлено устройство 8 впрыска воды.Из турбокомпрессора 12 сжатый заряд подается во впускной патрубок 3 компрессора 1. Возможна также компоновка обеих ступеней сжатия в виде единого агрегата, т. е. размещение обоих компрессоров на общем валу.

В описываемом способе работы двигателя возможно также использование замкнутого контура циркуляции охлаждающей компрессор воды, т.е. оборотного цикла. Он применим во всех вариантах заявленного способа. Применение его предпочтительно, так как эксплуатационные затраты, связанные с расходом воды (ее приготовление, транспортировка) могут свеcти на нет преимущества предложенного решения. Отработавшие газы в этом случае из подогревателя 7 направляют в холодильник-конденсатор 13, например, радиаторного типа, где они охлаждаются в противоточном теплообменнике 17 за счет теплообмена с наружным воздухом, который прогоняется через теплообменник 17 под действием осевого вентилятора 18. Охлаждение отработавших газов (по существу парогазовой смеси) ведут до или несколько ниже температуры точки росы. При этом водяные пары, содержащиеся в них, конденсируются, собираются в водосборнике 14. Насосом 16 высокого давления (20-50 МПа) конденсат откачивают из водосборника 14. В фильтрах 15 конденсат перед насосом 16 подвергают тщательной фильтрации от взвешенных примесей, загрязнений, масла и подают по высоконапорному трубопроводу во впускной патрубок 3 компрессора 1. Предусматривается также подпитка контура свежей водой для компенсации потерь циркулирующей воды. Осушенные отработавшие газы выпускают в атмосферу. Чтобы получить непрерывность циркуляции воды в конденсаторе 13, достаточно охладить отработавшие газы до температуры конденсации 310-330 К, что вполне достижимо при обычном воздушном охлаждении обдувом вентиляторным воздухом.

Включение в схему двигателя утилизации тепла отработавших газов дает, кроме основного энергетического, конкретный энерготехнологический эффект: охлаждение отработавших газов в теплообменнике упрощает устройство и работу холодильника-конденсатора 13, повышает его надежность, компактность, снижает расход охладителя и энергии, эксплуатационные затраты.

Таким образом, при использовании заявленного способа работы двигателя значительно уменьшаются работа сжатия, потери от необратимости процесса, могут быть осуществимы большие значения степени сжатия, увеличиваются напор и количество подводимого от горячего источника тепла, производится охлаждение отработавших газов до температуры, близкой температуре окружающей среды, увеличивается диапазон беспомпажного регулирования компрессора и тем самым значительно увеличивается полезная работа.

Все указанные преимущества свидетельствуют о высокой энерготехнологической эффективности предложенного способа.

Наиболее рациональными областями применения изобретения являются стационарные энергетические установки, например, для привода электрогенераторов, судовые и т.п.

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания путем всасывания воздуха сжатия его в компрессоре, перепуска сжатого воздуха в поршневой расширитель сжигания топлива, расширения продуктов сгорания для использования работы расширения и выпуска отработавших газов, отличающийся тем, что сжатие воздуха производят изотермически путем отвода теплоты от сжимаемого воздуха на испарение впрыскиваемой воды и перевода последней в состояние насыщенного пара, а топливо сжигают в образовавшейся паровоздушной смеси.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что паровоздушную смесь дополнительно сжимают путем последовательного нагрева в замкнутых объемах теплом отработавших газов, причем смесь и отработавшие газы в процессе нагрева смеси перемещают противотоком.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что отработавшие газы после выпуска дополнительно расширяют и энергию расширения используют для предварительного сжатия воздуха перед всасыванием.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что отработавшие газы охлаждают до конденсации паров воды, выпавший конденсат фильтрут и подают в компрессор в качестве воды на испарение.

5. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий компрессор, установленный в магистрали впуска и сжатия свежего заряда и снабженный впускным патрубком, поршневой расширитель, снабженный средствами сжигания толива в сжатом заряде и связанный с магистралью выпуска отработавших газов, и подогреватель сжатого заряда теплом отработавших газов, установленный между компрессором и расширителем, отличающийся тем, что компрессор выполнен многоступенчатым и снабжен средствами для впрыска и распыления воды, установленными во впускном патрубке и между ступенями.

6. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что подогреватель сжатого заряда выполнен в виде противоточного поверхностного теплообменника-термокомпрессора, разделенного обратными клапанами на изолированные секции.

7. Двигатель по пп.5 и 6, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен холодильником-конденсатором и подключенными к нему последовательно водосборником, фильтром и насосом высокого давления, причем последний подсоединен к средствам для впрыска и распыления воды в компрессоре, а холодильник-конденсатор установлен в магистрали выпуска отработавших газов.

8. Двигатель по п.5 - 7, отличающийся тем, что многоступенчатый компрессор выполнен лопаточным.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9