Способ работы и устройство комбинированного поршневого мотора с парогазовым циклом

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к поршневым моторам с парогазовым циклом. Техническим результатом является повышение к.п.д. Мотор имеет блок (1) из двух двухтактных цилиндров (3, 4) и ротор (2), имеющий 4 Х-образных паза, 4 шибера (28, 29, 30, 31) и 4 полости между ними и соединяющих блок (1) и ротор (2) 2 продувочных ресивера (11, 12), две впускных трубы (5, 6) с патрубками (16, 40), соединенных каналом (13), и 4 патрубка (24, 24, 25, 25) с клапанами и передачу (7, 8), вращающую клапаны (32, 33, 34, 35) со скоростью коленвала (10) и ротор (2) вдвое быстрее. Воздух с топливом сжимают в цилиндре, поджигают, к концу сгорания впрыскивают насосом (20) перегретую воду из рубашки охлаждения (21) и расширяют парогаз до выпускных окон (36). Одновременно всасывают воздух через патрубки (22, 26) и клапаны (32, 34) в две меньшие полости ротора, сжимают и передают воздух через патрубки (24, 25) в ресиверы (11, 12). Открывают выпускные окна (36), расширяют парогаз в цилиндре и двух больших полостях ротора. Открывают поршнем (17) и клапанами (18, 19) продувочные окна (37, 9) и сжатым воздухом ресиверов через патрубки (14, 15, 39) вытесняют парогаз из цилиндра в расширяющиеся полости ротора. Закрывают продувочные окна (37, 9), затем выпускные окна (36) и открывают выхлоп ротора клапанами (33, 35). 2 н.п. ф-лы., 4 ил.

 

Изобретение относится к реализации термодинамических циклов в комбинированных поршневых моторах и превосходит по к.п.д. циклы Отто, Дизеля и предложенный академиком С.Христиановичем и профессором К.Ридле цикл работы парогазовых турбин (ПГТ). По устройству изобретение относится к экологическим моторам колесного, гусеничного, водного, железнодорожного, воздушного транспорта и к различным приводам - бензопил, насосов, генераторов, буровых установок и источником энергии и тепла в домах ЖКХ с к.п.д. 70%.

Среди ПГТ аналогом является изобретение № 2076929 С1, МКИ F02C 7/00 от 11.06.1997 г. "Способ получения пиковой мощности на парогазовой газотурбинной установке и парогазовая установка для осуществления способа", в котором сгоревшие газы после газовой турбины нагревают пароперегреватель, в него подают перегретую воду из рубашек охлаждения, образуют пар, параллельно сжигают газ в кольцевой камере сгорания, смешивают пар и сгоревшие газы, повышают давление пара и подают парогаз прямо на паровую турбину. Проходя паровую турбину, парогаз в десятки раз расширяется, отдает энергию, охлаждается и, пройдя теплообменник, конденсируется, а воду возвращают в цикл. Сходство изобретений в том, что используют перегретую воду из рубашек охлаждения, напрямую смешивают сгоревшие газы и пар, этот парогаз используют в цикле и расширяют его в десятки раз. Недостатками аналога являются использование двух турбин, что ограничивает максимальную температуру цикла, его к.п.д. и сильно повышает стоимость установки. Электростанции с ПГТ требуют дорогой инфраструктуры: повышающих, понижающих и регулирующих подстанций ЛЭП и труб горячей воды, градирен. В результате стоимость станции с ПГТ составляет 950-1000 $ за кВт, с инфраструктурой 1400-1500 $/кВт. Строительство новых ПГТ занимает многие месяцы, а обслуживание и эксплуатация требует очень высокой квалификации. Перевод России на ПГТ потребует минимум 30 миллиардов долларов, не решит всех экологических проблем, не снизит тарифов и не обеспечит всю область применения моторов универсальными, легкими и экологичными приводами.

Прототипом изобретения является патент РФ № 2189468 С2, F02B 41/04, 37/00; F02D 13/02, 23/00 от 20.09.2002 г. В прототипе осуществляют двух- или четырехтактный рабочий цикл; в конце рабочего хода, через верхнее и нижние, продувочные окна с клапанами при помощи компрессоров через магистрали, воздушную камеру и охладитель подают два свежих заряда воздуха: один до н.м.т. - низкого давления, неохлажденный, второй - охлажденный, высокого давления после н.м.т., далее сжимают воздух в цилиндре, регулируют по ходу поршня закрытие выпускного клапана, достигая степени сжатия от 2:1 до 19:1 и превышения степени сжатия над степенью расширения от 0,5 до 1,9, затем завершают сжатие, воспламеняют смесь воздуха и топлива, производят рабочий ход и выхлоп.

Недостатками прототипа являются искусственное снижение максимальной температуры и давления цикла, а также повышение давления выпуска, недостаточная степень расширения. В прототипе не оптимально организована продувка в двухтактном цикле, сложная и дорогая конструкция, большие насосные потери в системе компрессоров, магистралей и клапанов. В итоге к.п.д. прототипа не более к.п.д. цикла Дизеля. Сходство данного изобретения с прототипом в том, что ротационным компрессором подают сжатый воздух через клапан и трубы-ресиверы к двухтактному цилиндру, продувают цилиндр двумя зарядами воздуха через нижние окна и, регулируя клапаном, через верхнее окно и создают превышение степени расширения над степенью сжатия.

Раскрытие изобретения.

Основой изобретения является реализация формулы Сади Карно η=Tmax-Tmin/Tmax термодинамически простым способом и технически лаконичным устройством. Как наиболее простой и эффективный применен новый, более экономичный, универсальный и имеющий большой потенциал развития поршневой парогазовый цикл (ППГЦ), в котором участвуют три компонента единого рабочего тела: фигура 4 - сжатый воздух в начале и конце цикла, сгоревшие газы и парогаз (ППГЦ-3). В сравнении с ПГТ теоретически и практически ППГЦ значительно недооценен. Его предшественник - паровые поршневые машины с перегревом пара, двойным и тройным расширением были лидерами в морском и железнодорожном транспорте, демонстрировали высокие тяговые характеристики, устанавливали мировые рекорды и более 100 лет выдерживали конкуренцию с д.в.с., изобретенным Отто в 1836 г. Некоторые решения поршневых паровых машин актуальны и развиты в данном изобретении. Показано, что эффективно использовать газ с Т>2800К и парогаз от 1900 до 800К. Созданные методики расчета комбинированного ППГЦ-3 (пример осуществления) показали, что он потенциально на 50-70% превосходит цикл ПГТ по эффективности у конечного потребителя и по экологичности. Конструктивные проработки - фиг.1, 2, 3 комбинированных ППГЦ-3 моторов показали универсальность применения конструкции - от привода ручных бензопил до двигателей супертанкеров. Впрыск воды в ППГЦ-3 (а-b фиг.4) кардинально меняет подход к способу работы и конструкции мотора. Для получения максимального к.п.д. необходим впрыск в зону сгорания с давлением 7-8 МПа воды перегретой, частично в рубашке охлаждения (21) и окончательно - во время происхождения импульсного водяного насоса (20), выдвинутого в камеру сгорания. Целый ряд термодинамических расчетов ППГЦ-3 показал, что оптимальным временем впрыска является момент завершения сгорания (а фиг.4). Более ранний впрыск может привести к неполному сгоранию топлива. Более поздний впрыск увеличивает потери тепла в стенки камеры сгорания и уменьшает к.п.д. Расчет количества впрыснутой воды в разных вариантах исполнения комбинированного мотора показал отсутствие точки оптимума. Впрыск воды вдвое больше молярного веса заряда приводит к медленному росту давления после впрыска (b фиг.4) и малому росту к.п.д. до 80,2%, при росте габаритов мотора, уменьшение веса впрыска снижало к.п.д. Поэтому вес впрыснутой воды принят примерно равным молярному весу заряда при к.п.д. в 76-77%. Конструкция ППГЦ-3 мотора должна быть комбинированной: первая часть - обеспечивать Tmax>3000К и Pmax, а вторая - двойное расширение парогаза, со степенью расширения >20. Pmin=0,2-0,15 МПа и третья - подготовку сжатого воздуха. Конструкция должна быть простой и максимально или многократно использовать внутренние объемы мотора для ликвидации потерь тепла и повышения к.п.д. Этим условиям отвечает комбинация двухтактного двухцилиндрового (3, 4) блока (1) цилиндров, четырехшиберного ротора (2) - компрессора и расширителя и системы продувки (11, 12). Блок цилиндров и ротор соединяют два патрубка (16, 40), две выпускных трубы (5, 6) и система продувки - два ресивера (11, 12) с патрубками (14, 14', 15, 39) и клапанами (18, 19). В блоке цилиндров каждый из цилиндров соединен с каждым из двух ресиверов, а через выпускные окна (36) и канал (13) соединен с каждой из двух выпускных труб (5, 6). Четыре шибера (28, 29, 30, 31) в роторе расположены в пазах Х-образно и образуют четыре полости - перекрестно-симметричные. Объем двух больших полостей в четыре раза больше объема цилиндра, что дает степень расширения - 23, при степени сжатия - 9,6. Все эти признаки соответствуют условиям сохранения тепла и получения высокого к.п.д. В двухтактном моторе очень важна организация продувки, для подготовки продувки используют ротор, который имеет восемь патрубков (24, 24, 25, 25 фиг.1) и (22, 23, 26, 27, фиг.3) с вращающимися цилиндрическими клапанами (32, 33, 34, 35 фиг.3) патрубки с клапанами попарно перекрестно-симметричны. Саму продувку проводят ресиверы не за счет скорости истечения, которая в начале обычной продувки достигает звуковой, а за счет большого избытка воздуха, высокого давления и его плавного изменения, без свободного выпуска. В результате уменьшается турбулентность, перемешивание свежего воздуха с парогазом, улучшается очистка цилиндра и достигается необходимый в ППГЦ-3 наддув. Подготовка продувки начинается со всасывания воздуха в две меньшие полости ротора (h-i) через патрубки (22, 26) и клапаны (32, 34). Затем воздух сжимают в роторе (i-q) и через патрубки (24, 25) передают в ресиверы (11, 12). Движением поршня (17) открывают выпускные окна (36) и выпускают парогаз в две большие закрытые быстрорасширяющиеся полости ротора (с-d). В точке d поршень открывает продувочные окна (37) ресивера (11), клапаны (18, 19) открывают в патрубке (14) окно (9) ресивера (12). Сжатым воздухом ресивера (11) и за счет формы окон (36) осуществляют петлевую продувку, а воздухом ресивера (12) и клапанами (18, 19) - прямоточную продувку (j-е) и вытесняют парогаз из цилиндра. Одновременно продолжают расширение парогаза в роторе и цилиндре (d-е). После уравнивания давления в ресиверах, роторе и цилиндре продолжается продувка и совместное расширение воздуха и парогаза (е-f) до полного заполнения полостей ротора. В точке (f) закрывают продувочные окна (37, 9), затем выпускные (36), отсоединяют ротор от цилиндра с остаточным давлением сжатого воздуха в цилиндре (q). Все время продувки, даже после прохождения н.м.т., за счет расширения в роторе мотор ППГЦ-3 продолжал вырабатывать энергию (площадь q-B-C-a-b-c-d-e-f-q), и все перечисленные признаки, необходимые для продувки, способствуют повышению к.п.д. и компенсируют избыточный воздух. После продувки открывают клапаны (33, 35) и производят выхлоп из полостей ротора. Цилиндрические клапаны ротора вращают со скоростью коленвала (10), а ротор вдвое быстрее. Скорость кратна числу цилиндров и дает ротору 240° на расширение и выхлоп парогаза и 120° на всасывание и сжатие воздуха. Восемь патрубков с клапанами, расположенными по четыре с направлением на внешний и внутренний торец ротора, Х-образно перекрестно-симметрично, так же как четыре шибера ротора. Синхронизацию и скорость вращения клапанов и ротора обеспечивает механическая передача (7, 8). После выхлопа следующий оборот ротор совершает пол - цикла со вторым цилиндром. Таким образом удвоенная скорость ротора позволяет удвоить количество воздуха, подаваемого в цилиндр, и объем парогаза, принятого из цилиндра, а синхронная передача и расположение патрубков обеспечивают такую работу и дают возможность одним ротором обеспечить эффективную работу двух цилиндров. В итоге эти признаки формируют работу цилиндров, повышают Tmax, увеличивают степень расширения, снижают Tmin и потери тепла и, таким образом, способствуют цели изобретения - повышенного к.п.д. Особенностью комбинированного мотора является штатная работа с форсажем (наддувом). Расчет времени - сечения клапанов делают исходя из среднего давления газопередачи 0,3-0,5 МПа, а минимального 0,2 МПа. Мотор не требует общего охлаждения, средняя температура рабочего хода меньше, чем в циклах Отто и Дизеля, а среднее давление выше. Два двухтактных цилиндра не имеют холостых ходов при 70% к.п.д., заменяют от 4-х до 8-ми четырехтактных цилиндров, мотор возвращает на вал до 80% насосных потерь, дает min механических потерь, при 20 кВт на цилиндр V_ц=0,23 л обладает в 4-5 раз большим крутящим моментом. Возможны четыре варианта работы мотора: со свободным выпуском парогаза - легкие моторы для ручного привода и мотолодок; с выпуском парогаза через теплообменник - стационарные с подачей тепла потребителям; с конденсацией пара и возвратом воды в цикл - транспортные, автомобильные; с долей пара в выпуске более 55-60% - парогенераторы. Автор просит присвоить изобретенному мотору личное название "Трайз" - на английском "Tryz" как устройство, имеющее тройное рабочее тело, с тройным преобразованием в трех агрегатах и анаграмму первых букв имени отчества и фамилии автора изобретения.

Перечень чертежей.

На фиг.1. изображен вид мотора сверху в масштабе 1:2. Мотор показан с половиной разреза блока цилиндров. Водяные насосы, поршни, привод клапанов верхнего ресивера и гайки крепления труб к патрубкам условно сняты. Номерами 24' и 25' условно обозначены патрубки, находящиеся ниже патрубков 24 и 25 и не видимые на других фигурах.

На фиг.2 изображен продольный разрез поршня, конструкция показана упрощенно - схематически, крепление головки блока цилиндров и патрубков не показаны. Масштаб 1:1 и соответствует размерам, приведенным в примере осуществления изобретения.

На фиг.3 изображен в масштабе 1:2 разрез ротора условно-схематично, ряд условностей относится к ноу-хау и технологическим особенностям изготовления.

На фиг.4 изображен термодинамический цикл работы мотора в координатах P-V. Буквами A-B-C-D обозначен цикл работы двухтактного мотора. Буквы q-B-C-a-b-c-d-e-f-q - цикл работы комбинированного мотора с парогазовым циклом, где a-b - это впрыск воды, b-c - расширение парогаза в цилиндре до выпускных окон, c-d - расширение в цилиндре и роторе до продувочных окон, d-e и j-e - встреча парогаза и сжатого воздуха ресиверов, e-f - их совместное расширение до закрытия выпускных окон цилиндра, f-q - отсоединение объема цилиндра от объема ротора, A-q - давление надува в цилиндре, h-i - всасывание воздуха в две малые полости, i-j - сжатие воздуха в роторе и передача в ресиверы, j-e - вход сжатого воздуха ресиверов в цилиндр и уравнивание давления в системе ресиверы - цилиндр - ротор.

Пример работы заявляемого изобретения

Термодинамический расчет этапов работы комбинированного поршневого мотора с парогазовым циклом.

Исходные данные мотора:

Два двухтактных цилиндра диаметром Дц=60 мм, ходом Sц=70 мм, выпускные нижние окна ±30° от нижней мертвой точки (н.м.т.) хода поршня, продувочные окна ±15° от н.м.т. и ротор с Dp=180 мм, dp=125 мм с четырьмя Х-образными пазами и четырьмя шиберами, объем ротора Vрот между шиберами 120° = 888 см³, между шиберами 60° Vрот=444 см³ при длине ротора L=160 мм, и два ресивера суммарным объемом Vpec=150 см³.

1. Рабочий объем цилиндра Ур.ц. и камеры сгорания Ук.с.

Vр.ц.=πR²(0,5S+0,5S sin60°)=3,14×9(3,5+3,03)=184,6 см³;

Ераб=Еобщ:Рост=9,6:2=4,8; Vk.c.=Vр.ц.:(Ераб-1)=184,6:3,8=48,6 см³;

Ераб - рабочая степень сжатия;

Еобщ - общая степень сжатия;

Рост - остаточное давление в цилиндре, МПа (ат);

VΣц=Vр.ц.+Vk.c.=184,6+48,6=233,2 см³;

Vмотора=466,4 см³;

2. Вес и число молей воздуха и бензина в заряде.

μвоз=ΣЕц×Рост×273°:22,4 л:Тост = 0,233×2×273°:22,4:400°=0,0142μ;

μвоз - количество молей воздуха;

VΣц - суммарный объем цилиндра (л);

22,4 л - объем моля в нормальных условиях;

Тост - остаточная температура в цилиндре, К;

mвоз=μвоз×М=0,0142μ×29=0,412 г;

mбен=0,412:14=0,03 г;

mвоз. - масса воздуха, г;

М - молярный вес воздуха;

mбен - масса бензина, г;

mзар=mвоз+mбен=0,412+0,03=0,442 г;

mзар - вес заряда, г;

уравнение сгорания: 12,5O₂+53,7N₂+C₈H₁₈=8CO₂+9Н₂O+53,7N₂;

Мсг.г.=(8×44+9×18+1504):70,7=28,5 mCO₂:mH₂О:mN₂=2:1:9;

Мсг.г - молярный вес сгоревших газов;

μсг.г=mзар:Мсг.г=0,442:28,5=0,0155μ;

3. Всасывание воздуха в ротор, смешивание и подача в ресиверы.

Ео=1:0,8=1,25 То=Тср:Ео^n-1=300°:1,25^0,2=300°:1,0455=287К;

Ео - начальное расширение;

0,8 - давление после всасывания воздуха в ротор - Ррот (ат) - 0,08 МПа;

То - температура после всасывания воздуха в ротор;

n - показатель степени политропы расширения, сжатия;

Тср - температура среды;

Рсм=(Vрот×Ррот+Vpec×Ррес):(Vрот+Vpec)=(444×0,8+150×2):594=(1,1 ат)-0,11 МПа;

Рсм - давление после смешивания воздуха ротора и ресиверов;

Е1=(Vрот+Vpec):(150+38)=594:188=3,16 Ppec=1,1×3,16^1,25=1,1×4,21=(4,63)-0,46 МПа;

Трес=То×E₁ ^n-1=287°×3,16^0'25=287°×1,33=382К;

4. Процесс сжатия и сгорания

Р4=Рост×Еⁿраб=2×4,8^1,35=2×8,25=(16,5 ат)-1,65 МПа;

Т4=Тост×Е^n-1раб=400°×4,8^0,35=692К;

Тсг=Uбен×Ктеп×mбен:μзар:=10300×0,86×0,03:0,0155:6,9=2485К;

Uбен - теплота сгорания бензина, кал/ г;

Ктеп - коэффициент использования тепла;

- молярная теплоемкость сгоревших газов, кал/моль, град.;

Т_Σ=692°+2485°=3177К P_Σ=Р₄×T_Σ:Т₄=16,5×3177°:692°=(75,7 ат)-7,6 МПа;

5. Расширение после сгорания и впрыск воды.

, ,5S×cos17°=0,16 см

V₅=πR²Sп+V_к.c.=3,14×9×0,16+48,6=53,1 куб.см

- угол поворота коленвала;

Е₅=V₅:V_к.с.=53,1:48,6=1,093

P₅=P_Σ×E₅ ⁿ=75,7×1,093^1,15=(68,3 ат)-6,8 МПа

Т₅=T_Σ:E₅ ^n-1=3177°:1,093^0,15=3133К

0,0155×7,66×_ΔТ₁=0,015×7,04×ΔТ₂ 0,1187×ΔТ₁=0,1056×ΔТ₂

2633°:225×119(106)=1326° (1207°)

0,1187×1307°=0,1056×1326° Т₆=500°+1326°=3133°-1307°=1826°К

6. Давление и температура в конце расширения.

V_Σ=V_p.ц+Vрот=233,2+888=1121,2 куб.см

Е₇=V:V₅=1072,6:53,1=21,1

P₇=Р₆:E₇ ⁿ=82,2:21,1^1,3=82,2:51,5=(1,60 ат) - 0,2 МПа

Т₇=Т₆:Е₇ ^n-1=1826°:21,1^0,3=1827°:2,5=730,8К

ИТОГИ РАСЧЕТА

η=Tmax-Tmin/Tmax=(3177°-731°):3177°=77%

0,03 г × 50 × 3600=5400 г/час

1,5 г/с × 10300 × 0,86 × 4,187 × 76,7%=42,9 кВт

42,7×1,36=58,3 л.с.

5400:58=93 г/л·с·час

1. Способ работы комбинированного мотора с парогазовым циклом, при котором в блоке цилиндров осуществляют двухтактный рабочий цикл, ротационным компрессором через клапана подают сжатый воздух в камеры-ресиверы и продувают цилиндр двумя зарядами воздуха в конце рабочего хода поршня через верхнее окно, регулируя клапаном, и через нижние окна обеспечивают превышение степени расширения над степенью сжатия, при этом с целью повышения к.п.д., в один из двух цилиндров, завершающих сжатие, в конце сгорания впрыскивают перегретую воду из рубашки охлаждения и расширяют парогаз до выпускных окон, одновременно ротор с четырьмя полостями вращают вдвое быстрее коленвала, и всасывают воздух в две меньшие полости ротора, сжимают и передают воздух в два ресивера, открывают поршнем выпускные окна и расширяют парогаз в цилиндре и двух больших полостях ротора, доходят поршнем до нижних продувочных окон с ресивером, клапаном открывают верхнее продувочное окно ресивера и сжатым воздухом двух ресиверов вытесняют парогаз из цилиндра в ротор, закрывают поршнем нижние продувочные окна, клапаном - верхнее окно, затем закрывают поршнем выпускные окна, открывают клапанами выпускные окна ротора и завершают выхлоп, следующим оборотом ротора проводят аналогичные полцикла со вторым цилиндром.

2. Устройство комбинированного поршневого мотора с парогазовым циклом, содержащее блок двухтактных цилиндров с выпускными и продувочными нижними окнами и верхнем окном с клапаном и ротор-компрессор, подающий через клапана и трубы воздух к камерам-ресиверам, отличающееся тем, что, с целью повышения к.п.д., ротор имеет четыре Х-образные паза с четырьмя шиберами и четыре полости, а также восемь перекрестно-симметричных патрубков, расположенных Х-образно, аналогично шиберам, на корпусе ротора по четыре направленных к каждому торцу ротора, с цилиндрическими клапанами, которые через механическую передачу имеют скорость вращения коленвала, а ротор - вдвое большую, блок цилиндров имеет водяную рубашку, два импульсных водяных насоса и два ресивера, соединенных патрубками с каждым из цилиндров, а цилиндры через выпускные окна, каналы, два патрубка, две трубы и два патрубка с цилиндрическими клапанами соединяются с двумя большими полостями ротора, еще два патрубка с клапанами являются выхлопными, два патрубка - всасывающими воздух и два патрубка выходными в два ресивера.