Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Устройство относится к машиностроению и предназначено для повышения удельной мощности путем использования кинетической энергии, улучшения теплопередачи и повышения энергии пара. Двигатель содержит цилиндр, полый поршень 2, шток 3, коленчатый вал, систему охлаждения поршня 2 с форсункой 5 подачи мелкодисперсного теплоносителя в полость 6 охлаждения поршня 2, по меньшей мере одну пару реактивных сопел 10, термоэлектрическую батарею (ТБ) 13 и турбоэлектрогенератор (ТЭ) 14 вдустороннего действия. При работе двигателя кинетическая энергия утилизируется в ТЭ 14, прикрепленном к штоку 3 поршня 2 и частично заполненном жидкостью, которая при перемещении штока вращает рабочее колесо турбины, передающей вращение на электрогенератор. Вырабатываемый ТЭ 14 электрический ток подается в ТБ 13, в которой с помощью горячих и холодных спаев осуществляется преобразование тепловой и электрической энергии и улучшаются процессы теплопередачи и утилизации теплоты сгорания топлива в рабочей полости. 8 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (!91 110 (5115 F 02 Л 5!00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1Ó

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (61 ) 1449690 (21 ) 4331258/25-06 (22) 18,11,87 (46) 07,03. 90. Бюл. У 9 (75) В.П.Коротков (53) 621.436 (088.8) (56) Авторское свидетельство ГССР

И - 1449690, кл. F 02 В 37/00, 1986. (54) ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Изобретение относится к машиностроению и предназначено для повышения удельной мощности путем использования кинетической энергии,улучшения теплапередачи и повышения энергии пара, Двигатель содержит цилиндр, полый поршень 2, шток 3, коленчатьй вал, систему охлаждения поршня 2 с форсункой 5 подачи мелкодисперсного теплоносителя в полость 6 охлаждения

2 поршня 2, по меньшей мере одну пару реактивных сопел 10, термоэлектрическую батарею (ТБ) 13 и турбоэлектрогенератор (ТЭ) 14 двустороннего действия. При работе двигателя кинети-ческая энергия утилизируется в ТЭ 14, прикрепленном к штоку 3 поршня 2 и частично заполненном жидкостью, которая при перемещении штока вращает рабочее колесо турбины, передающей вращение на электрогенератор.Вырабатываемый Т3 14 электрический ток подается в ТБ 13, в которой с помощью горячих и холодных.спаев осуществляется преобразование тепловой и электрической энергии и улучшаются процессы теплопередачи и утилизации теплоты сгорания топлива в рабочей полости. 8 ил.

1548492

Изобретение относится к машиностроению, а именно двигателестроению, может. быть использовано для утилизации тепловой и кинетической, энергии двигателя внутреннего сгорания и является усовершенствованием изобретения по авт,св. Р 1449690.

Цель изобретения — повышение удельной мощности двигателя путем Нс пользования кинетической энергии, . улучшения теплопередачи и повышения энергии пара, На фиг,l приведен двигатель, общий вид; на фиг. 2 - реактивные сопла и турбоэлектрогенератор; на фиг,3 — то .же, продольный разрез; на фиг,4реактивные сопла; на фиг.5 — турбоэлектрогенератор; на фиг ° 6 - раз вертка рабочего колеса и направляющих аппаратов турбоэлектрогенератора; на фиг, 7 — термодинамнческий цикл, двигателя; на фиг,8 — термоэлектрическая батарея. .Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр 1, полый поршень 2, шток 3, коленчатый вал 4, систему охлаждения поршня 2 с форсункой 5 подачи мелкодисперсного теплоносителя в полость 6 охлаждения поршня 2, магистралью 7 отвода пара из полости

6 в конденсатор 8 и насосом 9 подачи теплоносителя, одну пару реактивных сопел 10 с входными патрубками

1) и выходными соплами 1 2, термоэлектрическую батарею 13 и турбоэлектрогенератор 14 двустороннего действия. Цилиндр 1 двигателя установлен на картере 15 и отделен от него перегородкой, Полый поршень 2 размещен в цилиндре 1 с образованием рабочей и подпоршневой полостей 1 6 и

17 ° Шток 3 связан с поршнем 2, а коленчатый вал 4 подсоединен через шатун 18 и крейцкопф 19 к штоку 3. Насос 9 подачи теплоносителя подсоединен впускным каналом 20 к конденсатору 8 и связан через напорный трубопровод 21 и телескопический элемент

22 с форсункой 5 подачи мелкодисперсного распылителя, Реактивные сопла 10 выполнены в виде участка магистрали 7 отвода нара, 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 установлены инерционнйе золотники 25 для поочередного соединения 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 перекрытия бокового отверстия 27 при своем перемещении, Термоэлектрическая батарея 13 прикреплена холодными спаями 29 к днищу 30 поршня 2 в его полости 6 охлаждения и связана через электрическую цепь с турбоэлектрогенератаром 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, 25 и выполнен в вице двусторонней турбины 32 и электрогенератора 33,кинематическн связанного с рабочим колесом 34 турбины 32, направляющий аппарат которой выполнен в виде двух рядов .лопаток 35 и 36, расположенных с двух сторон рабочего колеса 34.

Горячие спаи 37 термоэлектрической батареи 13 связаны с холодными спаями 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, 4 а рабочая температура 1000-1200 К.

Эти модули работоспособны при вибрациях в диапазоне частот 5-1000 Гц при ускорении до 1 Оя, ударах с ускорением до 50я, усилиях прижима до

l0-15 кгс/см, акустических шумах в диапазоне частот 20-10000 Гц с интенсивностью звуковых колебаний свыше .

130 дБ, Важным параметром термоэлектрической батареи 39, определяющим коэффициент преобразования.теплового насоса, является добротность полупроводниковых материалов, из которых изготовлены полупроводниковые элементы 40 и 41. В настоящее время добротность может достигать 1 ° 10 К

Двигатель работает следующим образом, Преобразование теплоты сгорания топлива в механическую работу осу92

Температура т холодных спаев 29 ниже температуры рабочей среды в рабочей полости 16 и тепловой поток, отводимый от рабочей среды, увеличивается вследствие возрастания температурного напора между рабочей средой и днищем 30 поршня 2.

Температура Т„ горячих спаев 37 выше температуры рабочей среды в полости 6 охлаждения поршня 2 и тепловой поток, подводимый к мелкоднсперсному теплоносителю, подаваемому фарсункай 5 на горячие спаи 37,увеличивается вследствие возрастания температурного напора между днищем 30 поршня 2 и теплоносителем. При этом теплонасителю в полости 6 охлаждения передается не только теплота, отводимая от рабочей среды в рабочей полости 16 но и теплота, эквивалентная работе, совершаемой электрическим током в термоэлектрической батарее 13.

5 15484 ществляется в результате -совершения в двигателе комбинированного термодинамического цикла, состоящего as рабочего цикла а-Ь-с-d-а-(фиг.7) диsana, теплонасосного цикла е-f-g h-e

5 и паросилового цикла i-k-l»m-n-o-i.

При этом рабочий цикл а-Ь-с-й-а осуществляется в рабочей полости 1б,теплонасосный цикл е-f-g-h-e — в термо- 10 электрической батарее 13, а паросиловой цикл i-k-1-ш-и-а-i - в подпоршиевай полости 17.

Рабочий цикл а-Ь-с-d-а, состоит иэ следующих процессов: 15

-процесса а-Ь, являющегося про цессом сжатия; процесса b-с, являющегося процессом подвода теплоты, процесса с-й, являющегося процессом расширения, и процесса й-а, 20 являющегося процессом отвода теплоты. Результатом этого цикла является трансформация теплоты сгорания топлива в механическую работу: в процессе с-d расширения сила давления газов 25 в рабочей полости 16 передается на поршень 2, а затем через шток 3, крейцкопф 19 и шатун 18 на коленчатый вал 4. Другим результатом рабочего цикла а-Ь-c-d.-a является отброс- 30 ..иая теплота, которая частична утилизируется в паросиловом цикле i-к-1m-и-о-i;

Отбросная теплота рабочего цикла а-Ь-с-6-а частично передается через

35 днище 30 поршня 2 для утилизации.При этом обеспечивается интенсификация теплопередачи и снижение необратимых потерь теплопередачи за счет осуществления термоэлектрической батареей 40

13. теплонасоснаго цикла е-f-g-h-e, коэффициент преобразования которого пропорционален плотности передаваемога из рабочей полости 16 теплового потока ° 45

Тепланасосный цел е-f-g-h-e состаит из следующих процессов: процесса е-f, соответствующего протеканию некоторого количества электричества по холодному спаю 29; процесса f-g, характеризуемого изменением количества электричества, которое происходит в результате движения тока через полупроводниковый элемент 39 с.р-проводимостью от холодного спая 29 к горячему спаю 37; процесса g-h,ñîîòветствующего протеканию некоторого количества электричества по горячему спаю 37; процесса h-e, характери, зуемого изменением количества электричества, которое происходит в результате движения тока через полупроводниковый элемент 38 с п-проводимостью от горячего спая 37 к холод-. ному спаю 29.

Возвратно-поступательное перемещение штока 3 и жестко связаннога с ним корпуса 31 преобразуется в непрерывное вращение электрогенератора 33

sà счет взаимодействия волнообразно пульсирующей в корпусе 31 рабочей среды с лопатками рабочего колеса 34 турбины 32 и двух рядов лопаток 35 и 36 направляющих аппаратов турбоэлектрогенератора 14. Вырабатываемый турбаэлектрогенератором 14 электри- ческий ток, пропорциональный частоте движения поршня 2, подается в термоэлектрическую батарею 13, Полярность подключения термоэлектрической батареи 13 такова, что по холодному спаю

29 электрический ток течет от полупроводникового элемента 38 с и-проводимостью к полупроводниковому элементу 39 с р-проводимостью, а по горячему спаю 37 электрический так течет от полупроводникового элемента

39 с р-проводимостью к полупроводниковому элементу 38 с и-проводимостью. Вследствие эффекта Пельтье дополнительно поглощается теплота в горячих спаях 37 и дополнительно выделяется теплота в холодных спаях 29.

1548492

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

Паросиловой цикл i-k-1-m-n-o-i состоит из следующих процессов: процесса i-k-1-ш, являющегося процессом подвода теплоты термоэлектрической батареей 13; процесса m-n, . являющегося процессом расширения па. ра в реактивных .соплах 10; процесса п-о, являющегося процессом отвода теплоты в конденсаторе 8, и процесса о-i являющегося процессом сжатия теплоносителя в насосе 9. Результатом этого цикла является трансформация отбросной теплоты в механическую работу, происходящая следующим обр азом.

С помощью насоса 9 через его напорный трубопровод 21 и телескопический элемент 22 жидкий теплоноситель подается в форсунку 5, которая обеспечивает подачу теплоносителя в виде мелкодисперсной жидкой фазы в полость 6 охлаждения на горячие спаи . 37 термоэлектрической батареи

13 ° В полости 6 мелкие капли теплоносителя нагреваются и испаряются, Перегретый пар из полости 6 через магистраль 7 в штоке 3 заполняет общий корпус 24 входных патрубков 11 и реактивных сопел 10, При движении поршня 2 вниз инерционный золотник,25 прижат к одному упору 28, а другой инерционный золотник 25 прижат к своему упору 28, При этом одни боковые отверстия 27 открыты, а другие боковые отверстия

27 закрыты, Перегретый пар поступает в реактивное сопло 10 где, расши" ряясь, совершает механическую работу.

При этом сила тяги реактивного сопла 1 0 направлена в сторону движения поршня 2 и на коленчатом валу 4 cosдается дополнительный .вращающий момент, При движении поршня 2 вверх все происходит наоборот, При увеличении подвода теплоты из рабочей полости 16 вследствие увеличения цикловой подачи топлива обороты коленчатого вала 4 увеличиваются, соответственно возрастает электрический ток электрогенератора 33. Повышаются температурные напоры, обеспечи4 ваемые работой термоэлектрической батареи 13, увеличивается плотность теплового потока, передаваемого через днище 30 поршня 2 во внутреннюю по5 лость 6 охлаждения, и полезная работа паросилового цикла i-k-1-m-n-o-i возрастает, Возможны различные соотношения температур рабочей среды в рабочей полости 16 и теплоносителя во внутренней полости 6, Температура Т горячих спаев 37 может быть как ниже, так и вьппе температуры рабочей среды в рабочей полости 16. Одновременно температура 7 холодных спаев 29 может быть как ниже, так и выше температуры теплоносителя во внутренней полости 6 охлаждения.

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

25 высокой добротности термоэлектрической батареи 13 и не слишком большой разности температур горячих и холодных спаев 37 и 29 это отношение (отопительный коэффициент) может дости3р гать 10-121, Это означает, что зат» рачиваемая для интенсификации теплопередачи через днище 30 поршня 2 электроэнергия составляет всего 8—

10Х от передаваемой теплоты, причем значительная часть электроэнергии возобновляется за счет преобразования теплоты в механическую работу реактивными соплами 10.

40 Возможна также эффективная теплопередача через днище 30 поршня 2, когда температура теплоносителя полости 6 вьппе температуры в рабочей полости 16. Коэффициент преобразова45 ния термоэлектрической батареи .13 и в этом случае достаточно высок.Повышение температурных напоров в ряде случаев одновременно увеличивает коэффициент теплоотдачи, что еще больHI e- ув елич ив а е т пл От но с ть т епл ОВ ОГ о потока через днище 30 поршня 2 °

По сравнению с известными устройствами интенсивность теплопередачи из рабочей полости 16 в полость 6

55 охлаждения может быть увеличена в, 5-6 раз, Однако удельную мощность двигателя не следует повышать более чем в 2-3 раза ввиду увеличения доли невозобновляемых затрат электроэнер30

)54S492

17 гии, вырабатываемой электрогенератором 33.

Таким образом, без увеличения габаритов двигателя его мощность может быть существенно повышена за счет увеличения работы паросилового цикла, осуществляемого в нодпоршневой полости I7, Формула н з о 6 р е т е н и я

Двигатель внутреннего сгорания по авт. св. и 1449690, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения удельной мощности путем использования кинетической энергии, улучшения теплопередачн и повьппения энергии пара, двигатель дополнительно снабжен термоэлектрнческой батареей и турбоэлектрогенератором двустороннего действия,тер" моэлектрическая батарея прикреплена холодными спаями к днищу поршня в его полости охлаждения и связана через электрическую цепь с турбоэлектрогенератором, причем последний размещен в замкнутом корпусе, частично заполненном рабочей жидкостью и прикрепленном к штоку в подпоршневой полости параллельно осн штока, и выполнен в виде двусторонней турбины и электрогенератора, кинематически связанного с рабочим колесом турбины, направляющий аппарат которой выполнен в виде двух рядов лопаток,расположенных с двух сторон рабочего колеса.

1 548492

2Ф

27 д

Фиг.2 т, т, Фиг.7

Составитель В, Козлов

Редактор Л, Зайцева Техред А.Кравчук. Корректор В, Кабаний

Заказ ) 27

Тирах 432

Подписное

BHHHIIH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгnpng, ул. Гагарина, 101