Способ использования охлаждающей воды в качестве рабочего тела в роторном двигателе и роторный двигатель

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в роторных двигателях внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что воду после охлаждения рабочих органов двигателя вводят в теплоизолированную камеру сжатия после перекрытия впускного отверстия. Затем смесь перепускают в теплоизолированную камеру сгорания, а остальную часть воды вводят в теплоизолированную камеру расширения в процессе рабочего хода из корпуса двигателя и поршня. Для осуществления описываемого процесса корпус двигателя имеет механизм ввода воды в камеру расширения, а одна из крышек двигателя снабжена механизмом ввода воды в камеру сжатия. Выпускное отверстие камеры сгорания снабжено калиброванными отверстиями выпуска охлаждающей поршень воды, а выпускное отверстие из камеры расширения выполняется по площади не меньше, чем поперечное сечение камеры расширения и снабжено направляющими лопатками. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно роторным двигателям внутреннего сгорания.

Известны способы использования воды в качестве присадки к углеводородному топливу. При смешении бензина и воды получают эмульсию, именуемую "аквазин". Эмульсия при хранении неустойчивая и требует применения эмульгатора, что удорожает и усложняет ее приготовление. Устойчивое воспламенение смеси от искры происходит в составе топлива 10% воды. Работы по изучению "аквазина" по сведениям на данный момент времени прекращены.

Увеличение воды в составе смеси связано с возможностью воспламенения ее в камере сгорания. Поскольку воспламенение в роторном двигателе происходит от газа и стенок камеры сгорания, обладающих значительным потенциалом теплоты, то возможно увеличение влаги в смеси до нижнего предела воспламеняемости, при данных условиях воспламенения.

Известно из практики каждому автомобилисту, что в сырую, дождливую погоду двигатель лучше "тянет". Это, со всей очевидностью, происходит потому, что влага, попадая с воздухом в цилиндр, испаряясь, увеличивает при сгорании рабочее давление.

Эти факты позволяют предположить, что возможно образуется смесь воздух + топливо + вода в процессе работы роторного двигателя в камере наполнения и сжатия с последующим перемещением смеси в камеру сгорания.

Известно, что в ГПУ (газопаровой установке), выполненной по контактной схеме, определенное количество воды или пара вводится в тракт высокого давления. Ввод воды или пара увеличивает расход рабочего тела через парогазовую турбину по сравнению с расходом воздуха через компрессор, следовательно, возрастает работа турбины. Поскольку затраты энергии на прокачивание воды малы, мощность установки увеличивается намного (на 100% и более). Подвод дополнительного количества рабочего тела оказывается значительным: до 50-60% расхода воздуха через компрессор (Теплотехника/Под ред. В.И.Крутова. - М.: Машиностроение, 1986, с.211).

Наиболее близким техническим решением к заявленному является роторный двигатель по патенту РФ №2068106, в котором цикл наполнение (наддув) и сжатие осуществляют в одном объеме, сгорание - в другом, а расширение (рабочий ход) - в третьем. В процессе работы замкнутые объемы последовательно соединяются и отсекаются.

Недостатком аналога является то, что охлаждающая вода отдает тепло в окружающую среду через радиатор.

Технической задачей изобретения является увеличение коэффициента использования теплоты - термического КПД двигателя.

Поставленная задача достигается тем, что в способе использования охлаждающей воды в качестве рабочего тела в роторном двигателе согласно изобретению воду после охлаждения рабочих органов двигателя вводят в рабочий процесс - в теплоизолированную камеру сжатия - после перекрытия впускного отверстия, затем смесь перепускают в теплоизолированную камеру сгорания, а остальную часть воды вводят в теплоизолированную камеру расширения в процессе рабочего хода из корпуса двигателя и поршня.

Поставленная задача в части устройства достигается тем, что в роторном двигателе согласно изобретению одна из его крышек снабжена механизмом ввода воды в камеру сжатия, а корпус двигателя имеет механизм ввода воды в камеру расширения, выпускное отверстие камеры сгорания снабжено калиброванными отверстиями выпуска охлаждающей поршень воды, а выпускное отверстие из камеры расширения выполняется по площади не меньше, чем поперечное сечение камеры расширения и снабжено направляющими лопатками - сопловым аппаратом.

Изобретение поясняется при помощи чертежа.

Двигатель содержит (см. чертеж) корпус 1 с профилированной рабочей поверхностью, цилиндрический ротор 2, установленный на центральном валу отбора мощности 3 и снабженный качающими поршнями 4, в которых расположены камеры сгорания 5 с подпружиненными обратными клапанами 6, разделяющими подпоршневой объем (камеру наполнения и сжатия) 7 и камеру сгорания 5. Торцевые крышки 8 снабжены впускными отверстиями 9, в них установлены винтовихревые диффузоры 10, выпускные отверстия 11, сообщающиеся с надпоршневыми объемами (рабочими камерами расширения) 12. Поршни 4 установлены на осях 13. Поршни и выходные отверстия камер сгорания имеют уплотнения 15. Вал 3, ротор 2, поршни 4 имеют каналы 16, а корпус 1 снабжен каналами 17 для охлаждающей жидкости и уплотнениями. Поршень 4 имеет цилиндрическую выемку 19. Камера сгорания 5, камера сжатия 7 (подпоршневой объем) и камера расширения (надпоршневой, рабочий объем) снабжены датчиками температуры 20, а канал 16 вала 3 и канал 16 поршня 4 имеют регуляторы расхода охлаждающего агента 21.

Двигатель работает следующий образом. При вращении ротора 2 поршни 4 под действием центробежной силы выдвигаются из своих гнезд и касаются гранью внутренней поверхности корпуса 1, образуя при этом три замкнутых объема: а) надпоршневой объем, камеру наполнения и сжатия 7; б) два объема - рабочую камеру расширения и камеру вытеснения отработавших газов, разделенные в камере расширения 12 гранью поршня 4.

Смесь впускают в камеру сжатия 7 через смеситель, создающий турбулентный поток, а топливо вводят в винтовихревой поток воздуха посредством распыливающего карбюратора или распыливащей форсунки дозированно по составу смеси непосредственно перед впуском в камеру сжатия. Размеры впускного отверстия 9 могут быть равными поперечному сечению камеры наполнения и сжатия 7 или несколько большими, что позволяет считать, что степень наполнения будет равна единице. Впускное отверстие 9 перекрывается поршнем перед началом сжатия. В процессе сжатия происходят прогрев и испарение капель топлива.

Температуру стенок камеры сжатия поддерживают выше точки испарения и ниже точки воспламенения посредством терморегуляции. Процесс сжатия способствует перемешиванию и прогреву смеси.

При достижении степени сжатия от давления открывается перепускной клапан 6 и топливовоздушная смесь перепускается (нагнетается) в камеру сгорания. В процессе перепуска происходит дальнейшее перемешивание смеси: а) при обтекании клапана; б) смесь в камеру сгорания подается под давлением выше давления в камере сгорания и тангенциально к стенкам камеры сгорания, имеющей форму тела вращения, завихряется и перемешивается на встречных и перекрещивающихся потоках; в) завихрение происходит в среде отработавших газов при давлении и температуре выпуска, это создает трение между газовыми слоями и дальнейшее их перемешивание.

Камера сгорания 5 изготовлена многослойной с применением не только теплоизолирующего слоя, но и теплоаккумулирующего, например углеграфита. Поэтому температура остаточных газов в камере сгорания после расширения будет близка температуре конца сгорания за счет подогрева от стенок камеры сгорания, т.е. расширение в ней будет изотермическим. Активация топлива в камере сгорания будет происходить не за счет потребления внутренней энергии свежего заряда топлива, а за счет внешнего подогрева (использование теплоты газов и стенок камеры сгорания), что приведет к увеличению теплового эффекта сгорания топлива.

Такой процесс активации приводит к воспламенению по всему объему одновременно. Сгорание осуществляется фактически при постоянном объеме. Время сгорания выдерживается углом α поворота ротора, его величина определяется временем полного сгорания топлива, определяемого экспериментально для каждого вида топлива.

Поршень 4 в это время находится полностью убранным в ротор 2. При дальнейшем вращении поршни 4 выдвигаются, и выпускное отверстие камеры сгорания соединяется с камерой расширения 12, после чего осуществляется рабочий ход.

Одновременно с рабочим ходом происходят наполнение топливовоздушной смесью камеры сжатия 7 и вытеснение отработавших газов фронтальной стороной поршня 4 через выпускное отверстие 11. Отработавшие газы выпускаются не полностью. Часть из них отсекается поршнем 4 и цилиндрической выемкой 19 и в процессе вращения ротора сжимается. Тем самым создается давление на фронтальную сторону поршня, нейтрализуется давление грани поршня при сжатии топливовоздушной смеси. Сжатие отработавших газов при температуре и давлении конца расширения увеличивает температуру и давление конца сжатия и, тем самым, создает теплонапряженный сектор двигателя, определяемый углом поворота ротора β. Если считать оптимальной температуру конца расширения 600К и давление 0,3 МПа, то шестикратное сжатие создаст температуру при адиабатной сжатии, равную 1250К, и давление 3,75 МПа, при этом фронтальная сторона поршня в процессе работы будет нагреваться до температуры сжатия. Корпус поршня, имеющий камеру сгорания, будет теплонапряженным.

Абсолютно нетеплопроводных материалов не существует. При длительной работе теплонапряженные органы двигателя прогреются. Несмотря на теплоизоляцию им необходимо охлаждение, чтобы держать материалы двигателя в пределах прочности.

В камеру сжатия после наполнения топливовоздушной смесью и перекрытия впускного отверстия 9 вводится охлаждающая вода методом впрыска посредством механизма ввода (поз.22 чертежа), по массе своей не превышающая нижний предел воспламеняемости при данных условиях воспламенения и снижающая температуру сгорания до 2000 К, при коэффициенте избытка воздуха, обеспечивающем полное сгорание топлива, α равном, как известно, 1,05-1,15. Расчетная температура конца сгорания при избытке воздуха α=2 равна 2000 К. Стало быть введение воды в топливовоздушную смесь в виде пара составит 70-80% от массы воздуха. Такое количество воды внесет серьезные коррективы в термодинамический процесс. Предельной температурой камеры сжатия является 500 К. При этой температуре пар может иметь давление 1,5 МПа. После введения пара в камеру сжатия давление упадет до 0,5. Дальнейшее пятикратное адиабатное сжатие даст 4,836 МПа. Температура составит 773,6 К, а при сжатии смеси средняя температура составит . Эта температура конца сжатия выше воспламенения бензина и дизтоплива. Но нужно иметь в виду, что, во-первых, степень сжатия в конечном итоге определяется объемом камеры сгорания. Во-вторых, перепускной клапан может открываться ранее достижения степени сжатия в камере сжатия. В-третьих, время перепуска смеси меньше времени воспламенения при 3000 об/мин и повороте ротора на 15° она составляет 0,00083 сек. В-четвертых, это температура конца сжатия. Когда основная масса смеси попадает в камеру сгорания, стенки камеры сжатия, имея температуру ниже температуры воспламенения, будут гасить воспламенение. Совершенно очевидно, что наличие влаги в смеси увеличит время воспламенения и сгорания.

Если руководствоваться теорией сгорания в поршневом двигателе, то давление конца сгорания при изохорном сгорании увеличится во столько раз, во сколько увеличится температура и будет равно 12,48 МПа. При 12-кратном расширении давление составит 0,375 МПа. Тем самым осуществится продолженное адиабатное расширение. Цель достигается тем, что воду после охлаждения рабочих органов двигателя вводят в процессе расширения рабочего тела в камеру расширения.

Наиболее теплонапряженными узлами двигателя являются корпус камеры сгорания 5, поршень 4 и сектор β. Температура их нагрева может достигать предела прочности материала, из которого они изготовлены.

В этом случае двигатель аналогичен мини-котлу для нагрева воды. Корпус двигателя может быть изолирован от внешней среды. При температуре 800 К давление пара может быть не менее 12-13 МПа. При выдвижении поршня выпускное отверстие камеры сгорания соединяется с камерой расширения, а охлаждающая камеру сгорания 5 вода через калиброванные отверстия вводится в камеру расширения 12. В то же самое время вода, охлаждающая корпус двигателя и сектор β, также вводится в камеру расширения посредством механизма ввода (поз. 22 на чертеже). Происходит контактное смешение пара и парогазовой смеси камеры сгорания. В результате образуется бинарное парогазовое рабочее тело со средней температурой смеси пар + газ.

При температуре смеси камеры сгорания 2000 К и пара 800 К будем иметь 1400 К. При 12-кратном расширении и показателе адиабаты 1,41 температура будет 507 К. Смешение пара и газа увеличит массу рабочего тела, а при расширении увеличится его объем. Известно, что малый объем и высокое давление эффективно срабатывают в замкнутом объеме, а большой объем и низкое давление - в разомкнутом объеме на лопатках турбины. Конструкция двигателя позволяет продолжить, увеличить процесс расширения на лопатках турбины, для чего выпускное отверстие 11 выполняется по площади не меньшей, чем поперечное сечение камеры расширения и снабжается направляющими лопатками - сопловым аппаратом. При таком условии процесс расширения будет происходить без пространственно-временного перерыва, т.е. без потери работоспособности.

При дальнейшем трехкратном расширении получим давление 0,073 МПа и температуру 325 К.

Термический КПД составит

Температура конца расширения 325К находится ниже точки росы, равной 330К. Из этого следует, что коэффициент использования теплоты относится к высшей теплоте сгорания.

Эффективное использование углеводородного топлива, обогащенного водой, позволяет использовать топлива с высоким содержанием воды, например древесину, растительный покров земли. Древесина содержит 40-60% воды, 1% золы в виде соединений калия, магния и др., остальное - углерод. Теплота сгорания равна 10-12 МДж/кг. При сгорании в открытом пространстве скрытая теплота парообразования уносится с дымовыми газами.

Сгорание в постоянном объеме меняет последствия сгорания: во-первых, обеспечивается полнота сгорания; во-вторых, теплота, затраченная на парообразование, увеличивает давление, являющееся основным параметром роторного двигателя.

В результате использование топлива с большим содержанием воды становится энергетически эффективным и экономически выгодным.

Это решает еще одну проблему, а именно использование возобновляемого альтернативного топлива в двигателях внутреннего сгорания. Единственная сложность его использования в том, что в нем содержатся твердые вещества, а их удаление из топлива - проблема химиков.

Формула изобретения

1. Способ использования охлаждающей воды в качестве рабочего тела в роторном двигателе, отличающийся тем, что воду после охлаждения рабочих органов двигателя вводят в рабочий процесс - в теплоизолированную камеру сжатия - после перекрытия впускного отверстия, затем смесь перепускают в теплоизолированную камеру сгорания, а остальную часть воды вводят в теплоизолированную камеру расширения в процессе рабочего хода из корпуса двигателя и поршня.

2. Роторный двигатель, отличающийся тем, что одна из крышек снабжена механизмом ввода воды в камеру сжатия, а корпус двигателя имеет механизм ввода воды в камеру расширения, выпускное отверстие камеры сгорания снабжено калиброванными отверстиями выпуска охлаждающей поршень воды, а выпускное отверстие из камеры расширения выполняется по площади не меньше, чем поперечное сечение камеры расширения и снабжено направляющими лопатками - сопловым аппаратом.

РИСУНКИ

Рисунок 1