Способ использования тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания
Изобретение относится к области двигателестроения. Техническим результатом является повышение КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Сущность изобретения заключается в том, что преобразуют охлаждающую жидкость блока рабочих цилиндров (ДВС) в пар за счет тепла внешних стенок его цилиндров и тепла отработавших газов, и подают перегретый пар в ресивер, из которого его направляют в цилиндр. Отбирают паром тепло внутренних стенок рабочей камеры и цилиндра и совершают работу в цилиндре за счет энергии пара. Выпускают отработавший пар из цилиндра в конденсатор, и возвращают сконденсировавшийся пар в блок цилиндров. При этом впуск смеси воздуха с топливом в рабочий цилиндр осуществляют через клапан впуска, а выпуск отработавших газов из рабочего цилиндра - через выпускной клапан. Клапаны впуска и выпуска пара, клапаны впуска смеси воздуха с топливом и выпускной управляются электронным блоком управления с возможностью работы двигателя в режиме четырехтактного цикла двигателя или в режиме парового двигателя. 4 табл., 1 ил.
Область техники - автомобилестроение.
Уровень техники
При работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (Л.1) большое количество тепловой энергии не используется. Приблизительное распределение расхода тепловой энергии при работе ДВС можно увидеть в таблице 1 (Л.4).
| Таблица 1 | |
| Составляющие теплового баланса | % |
| Теплота, преобразованная в полезную работу | 25 |
| Теплота, отведенная в систему охлаждения | 40 |
| Потери на трение | 10 |
| Теплота, отведенная с отработавшими газами, и излучение | 25 |
| Итого | 100 |
Т.е. на 10 л израсходованного топлива двигателем только 2,5 л тратится на полезную работу. Если хотя бы частично использовать теплоту, отводимой системой охлаждения и отводимой отработанными газами, то можно повысить КПД ДВС. Такая попытка была сделана в изобретении паротопливного ДВС (Л12). В данном способе рядом с цилиндром двигателя внутреннего сгорания под углом, V-образно или последовательно устанавливают паровой цилиндр с поршнем, связанным шатуном с общим коленвалом. Горячие газы, выбрасываемые из цилиндра ДВС, направляют для нагрева головки парового цилиндра, выполненной в виде теплообменника. Запускают ДВС на топливе. При этом отработавшие горячие газы прогревают головку парового цилиндра и сам цилиндр. В результате температура головки может достигать 500 гр.С и выше. В головку парового цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) впрыскивают подогретую в рубашке ДВС воду. Мгновенно испаряясь, вода полностью переходит в пар. При этом пар может достигать давления до 50 кгс/см2. При геометрических параметрах парового цилиндра, близких к параметрам цилиндра ДВС, будет получено усилие на коленвале, близкое к усилию в цилиндрах ДВС, т.е. мощность двигателя приблизительно удвоится. Но при этом необходимо учесть, что в нижней мертвой точке (НМТ) над поршнем будет находиться высокое давление пара. И, хотя выпускной клапан начнет открываться, в первоначальный момент ДВС необходимо затратить значительное усилие, соизмеримое с рабочим усилием для перемещения поршня в НМТ. Причем, с дальнешим открытием выпускного клапана давление над поршнем будет резко падать, хотя все-таки будет затрачиваться энергия на трение и на выталкивание пара. Получается, что при движении поршня под действием пара мощность значительно возрастает, а при движении поршня в паровом цилиндре вверх эта прибавка в мощности отсутствует и еще необходимо затратить энергию на поднятие поршня в ВМТ плюс затраты энергии на открытие и закрытие паровых клапанов. Т.е. нарушается ритмичность работы ДВС. Поэтому для реализации стабильной работы необходимы еще дополнительные технические решения, что усложнит конструкцию и сделает ее дороже. Так что, если из выигрыша в мощности, полученной при перемещении поршня из ВМТ в НМТ, вычесть энергию, затраченную для перемещения поршня из НМТ в ВМТ, и еще учесть затраты на открытие и закратие паровых клапанов, то может оказаться, что выигрыш КПД будет не таким значительным.
Сущность изобретения
Предлагается способ повышения КПД ДВС, для реализации которого принципиальная конструкция ДВС не меняется. Добавляется ресивер (на схеме В), конденсатор (на схеме С), два дополнительных клапана в цилиндрах - для впуска и выпуска пара (на схеме 3, 4), форсунка(на схеме Е) для впрыска воды в блок цилиндров блок управления. Чтобы максимально использовать энергию отводимого тепла, контур охлаждения с радиатором отключается от блока цилиндров. Его можно использовать в конденсаторе. В сам блок цилиндров с охлаждающей жидкостью (на схеме - А) вводятся патрубки, выводящие выхлопные газы из камеры сгорания (на схеме из клапана 2). Целесообразно выпускные патрубки изготавливать с радиаторами для большей отдачи тепла. А в сами патрубки ввести трубки из ресивера (на схеме g), в котором находится насыщенный пар. Так как это использовалось в паровозах, когда в жаровые трубы, через которые выводились раскаленные газы из топки, вводились трубки с паром из котла. Это дает возможность просушить пар и нагреть его до температуры 350-450 град.С (Л5). Т.е. выводные патрубки для вывода отработанных газов (клапан 2), проходя через охлаждающую жидкость в блоке цилиндров, отдают ей тепловую энергию и отдают энергию пару через трубки (на схеме g), которые проходят внутри выводных патрубков и выводятся в точке О для подачи пара в клапана 4. И на выходе трубок - это клапан 4 получается сухой перегретый пар. Сам корпус блока цилиндров также как и ресивер необходимо изготавливать, как котел высокого давления. При работе ДВС охлаждающая жидкость быстро нагревается, и часть ее начинает превращаться в пар, который поступает в ресивер В. При достижении давления пара 2,5-5 МПа его можно использовать для совершения работы в тех же рабочих цилиндрах(на схеме I-IV). Для этого в рабочий цилиндр устанавливаются четыре электронно управляемых клапана 1-4, работу которых регулирует блок управления. 1 - обычный впускной клапан для впуска смеси воздуха с топливом, 2 - обычный выпускной клапан для вывода отработанных газов, 3 - впускной клапан пара высокого давления из ресивера, 4 - выпускной клапан пара высокого давления.
Работа осуществляется следующим образом. Вначале при запуске двигатель работает в обычном режиме 4-х циклов (впуск-сжатие-рабочий ход-выпуск) при участии клапанов 1 и 2. При повышении давления в ресивере до рабочего 2,5-5 МПа блок управления подключает к работе клапана 3 и 4 (клапаны 1-2 временно закрыты). Т.е. в один из рабочих цилиндров через клапан 3 подается пар высокого давления из ресивера В, что заставляет поршень перемещаться вниз и совершать работу. После чего клапан 3 закрывается и открывается клапан 4. Поршень перемещается вверх и отработанный пар поступает в конденсатор С. Порядок работы цилиндров показан в таблице 1.
Следует обратить внимание, что при поступлении пара из ресивера с температурой порядка 300 град.С в рабочую камеру, в которой перед этим прошел рабочий цикл и в которой температура стенок порядка 900-1000 град.С (Л2), будет происходить дополнительный отбор тепла паром. Причем при поступательном движении поршня будут открываться раскаленные внутренние поверхности цилиндра, что будет дополнительно нагревать пар и повышать давление на поршень. В какой-то момент времени можно закрыть клапан 3 и дальнейшее движение поршня будет осуществляться за счет энергии тепла от стенок цилиндра. Здесь же должно учитываться, что в конце рабочего хода поршня нужно уменьшать давление на поршень, приближаясь к нижней мертвой точке. Еще больше повысит эффективность системы подача пара в два цилиндра сразу (табл.3), поскольку отбор тепла будет осуществляться от стенок 2-х цилиндров сразу, только при таком режиме работы количество пара, подаваемого в один из цилиндров, будет меньше, чтобы суммарное усилие двух поршней не привело к резкому повышению давления на коленчатый вал. Сконденсированная жидкость собирается в емкости D. Откуда эта жидкость через форсунку высокого давления Е возвращается в блок цилиндров. При значительном снижении давления в ресивере блок управления переключает работу клапанов в режим обычной работы клапанов 1-2. В случае несанкционированного повышения давления в ресивере срабатывает аварийный клапан 5. В результате избыточное давление сбрасывается через выхлопную трубу F.
Получается, что при работе ДВС в таком режиме нарушается классический цикл работы цилиндров. Работа с паром предполагает два такта. Впуск пара, он же рабочий ход и выпуск. Поэтому необходимо стыковать классический режим работы на 4 такта с режимом работы с паровой приставкой и оперативно менять циклы работ в зависимости от давления в ресивере. Это возможно осуществить с помощью электронного управления фазами газораспределения.
В настоящее время существует множество различных решений электронного управления газораспределением. В частности, свои системы имеют Honda (VTEC), Toyota (VVT-i), Mitsubishi (MIVEC), Nissan (VVL) и др.(Л9). Например, двигатели Honda с системой VTEC К-20, К-24(Л11). Аббревиатура VTEC расшифровывается как Variable Valve Timing and Lift Electronic Control, что означает "электронная система изменения фаз газораспределения и высоты подъема клапанов". Интересными являются разработки с электромагнитными клапанами. Судя по открытым публикациям последнего времени [7, 8], группе немецких ученых и инженеров, работающих на фирме FEV (Motorentechnik GmbH, Aachen), удалось создать экспериментальный поршневой двигатель с электромагнитным приводом клапанов для автомобиля BMW. Есть такие разработки и в нашей стране (Л.6, Л.10).
Некоторые варианты циклов работы ДВС с паровой приставкой представлены в таблицах 1-3.
| Таблица 1 | |||
| I | II | III | IV |
| Вып | Раб | Сж | Вп |
| холостой | Вып | Раб | Сж |
| холостой | Вп | Вып | Раб |
| Вп | Сж | Раб(пар) | Вып |
| Сж | Раб | Вып(пар) | Вп |
| Раб | Вып | Вп | Сж |
| Таблица 2 | |||
| I | II | III | IV |
| Вып | Раб | Сж | Вп |
| холостой | Вып | Раб | Сж |
| холостой | холостой | Вып | Раб |
| Вп | холостой | Раб(пар) | Вып |
| Сж | Вп | Вып(пар) | Раб(пар) |
| Раб | Сж | Вп | Вып(пар) |
| Таблица 3 | |||
| I | II | III | IV |
| Вып | Раб | Сж | 1/2 Вп |
| холостой | Вып | Раб | Сж |
| холостой | 1/2 Раб (пар) | Вып | 1/2 Раб |
| 1/2 Раб (пар) | Вып(пар) | 1/2 Раб (пар) | Вып |
| Вып(пар) | Вп | Вып(пар) | Раб(пар) |
| Раб(пар) | Сж | Вп | Вып(пар) |
| Вып(пар) | Раб | Сж | Вп |
| Вп | Вып | Раб | Сж |
Колонки I-IV - это рабочие циклы в каждом из цилиндров. Холостой - холостой ход, Вп - впуск, 1/2 Вп - впуск уменьшенного количества топлива, Вып - выпуск, Сж - сжатие, Раб - рабочий ход, 1/2 Раб - работа с уменьшенным количеством топлива.
При хорошей теплоизоляции ресивера и блока цилиндров, а также при возможности увеличения обьема ресивера можно увеличить продолжительность работы с помощью пара. При уменьшении давления точка кипения, например, воды понижается. На таком принципе работали безтопочные (безогневые) паровозы. Зависимость точки кипения воды от давления видно из таблицы (Л.3):
| Таблица 4 | |||||||
| Темпе ратура, °С | Давление пара | Темпе ратура, °С | Давление пара | ||||
| мм рт.ст. | атм | кг/см2 | мм рт.ст. | атм | кг/см2 | ||
| 105 | 906,4 | 1,193 | 1,232 | 165,3 | 5320 | 7 | 7,233 |
| 110 | 1075 | 1,415 | 1,362 | 170 | 5961,7 | 7,844 | 8,106 |
| 111/7 | 1140 | 1,5 | 1,55 | 170,8 | 6080 | 8 | 8,266 |
| 115 | 1269 | 1,673 | 1,726 | 175,8 | 6840 | 9 | 9,3 |
| 120 | 1491 | 1,962 | 2,028 | 180 | 7546,4 | 9,929 | 10,26 |
| 120/6 | 1520 | 2 | 2,067 | 180,3 | 7600 | 10 | 10,333 |
| 127,8 | 1920 | 2,5 | 2,583 | 184 | 8360 | 11 | 11,366 |
| 130 | 2030 | 2,671 | 2,76 | 188 | 9120 | 12 | 12,4 |
| 133,9 | 2280 | 3 | 3,1 | 192 | 9880 | 13 | 13,433 |
| 139,2 | 2660 | 3,5 | 3,617 | 195 | 10520 | 14 | 14,303 |
| 140 | 2718 | 3,575 | 3,694 | 200 | 11689 | 15,38 | 15,892 |
| 144 | 3040 | 4 | 4,133 | 213 | 15200 | 20 | 20,666 |
| 148 | 3420 | 4,65 | 4,65 | 220 | 17390 | 22,881 | 23,644 |
| 150 | 3581 | 4,742 | 4,869 | 230 | 20926 | 27,535 | 28,452 |
| 152,2 | 3800 | 5 | 5,167 | 236,2 | 22800 | 30 | 30,999 |
| 159,2 | 4560 | 6 | 6/2 | 269,5 | 38000 | 50 | 51,667 |
| 160 | 4652 | 6,12 | 6,324 | 311,5 | 76000 | 100 | 103,33 |
КПД самой паровой машины составляет порядка 20%, а КПД паровозов может достигать только 5-9% из-за недостаточной эффективности сгорания топлива в паровом котле и потерями тепла пара при передаче его от котла к цилиндрам (в двигателях, использующих цикл Карно, КПД выше). Поэтому предполагается, что внедрение вышеописанного способа, т.е. при использовании тепловых потерь ДВС для превращения этой энергии в пар и последующем использовании этого пара как рабочего тело в камерах сгорания, использующих цикл Карно, должно повысить КПД ДВС до 20%. Это позволит уменьшить расход топлива и уменьшить количество выхлопных газов, фундаментально не меняя конструкции ДВС. Можно упростить использование предлагаемого способа, убрав из схемы конденсатор и клапан 4. В этом случае выброс отработанного пара будет происходить в выхлопную трубу через клапан 2. Но при этом надо учесть, что периодически необходимо будет пополнять жидкостью емкость Е.
Список литературы
1. Вырубов Д.Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания: теория поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1983.
2. Гольдберг А.М., Галямичев В.А. Тепловой расчет четырехтактного двигателя:
Методич. указ. для студентов лесомеханического факультета спец. 0519. Л., 1985.
3. Лев Давидович Ландау, Александр Исаакович Китайгородский"Физика для всех": Молекулы. - 6-е изд., стер. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984.
4. Элементарный учебник физики под редакцией академика Г.С. Ландсберга том 1, М. 1972.
5. Хмелевский А.В., Смушков П.И. Паровоз (Устройство, работа и ремонт). Учебник для технических школ железнодорожного транспорта. - 2-е издание. - М., 1979.
6. Соснин Д.А, Яковлев В.Ф. Новейшие автомобильные электронные системы. - М.: "СОЛОН-Пресс", 2005. 240 с.
7. Ernst Gschweitl. Signitikante Verringerung des Verschlei?es durch Optimierung des Vtntiltriebes. MTZ.61. 2000, №1.
8. Stefan Pischinger und die anderen. Ladung sbewegung und Gemischbildung bei Ottomotoren mit voll variabler Ventilsteuerung. MTZ.62. 2001, №11.
9. Материалы научнотехнической конференции ААИ "Автомобиле- и тракторостроение в России. Приоритеты развития и подготовка кадров", посвященной 145-летию МГТУ МАМИ. Скция 2 "Поршневые и газотурбинные двигатели".
10. Соснин Дмитрий Александрович. Автоматизированный электромагнитный привод газораспределительных клапанов поршневого ДВС: Дис. канд. техн. наук: 05.09.03: Москва, 2005, 204 с. РГБ ОД, 61:05-5/1903.
11. Микитенко А., Бушин C."Honda Idbufntkb К-20, К-24". Изд. Легион-Автодата, 2008 г.
12. RU, Номер патента: 2117803, Рег. номер заявки: 93017744, 06.04.1993, кл. Р02С 5/02.
Способ использования тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что преобразуют охлаждающую жидкость блока рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в пар за счет тепла внешних стенок его цилиндров и тепла отработавших газов, подают перегретый пар в ресивер, из которого его направляют в рабочий цилиндр через клапан подачи пара высокого давления, отбирают паром тепло внутренних стенок рабочей камеры и рабочего цилиндра, совершают работу в рабочем цилиндре за счет энергии пара, выпускают отработавший пар из цилиндра через клапан выпуска пара в конденсатор и возвращают сконденсировавшийся пар в блок цилиндров, при этом впуск смеси воздуха с топливом в рабочий цилиндр осуществляют через клапан впуска, а выпуск отработавших газов из рабочего цилиндра - через выпускной клапан, клапаны впуска и выпуска пара, клапаны впуска смеси воздуха с топливом и выпускной управляются электронным блоком управления с возможностью работы двигателя в режиме четырехтактного цикла двигателя внутреннего сгорания или в режиме парового двигателя.
